1 項目簡介

　　WNC-700S數(shù)控車床III單元是奧地利VOESTALPINE公司20世紀(jì)80年代生產(chǎn)的大型數(shù)控設(shè)備，設(shè)備用于炮彈彈體的加工。原控制系統(tǒng)選用西門子3TT數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動采用6RB2030直流驅(qū)動，主軸采用SI-MOREG 6RA 26直流驅(qū)動，輸入輸出接口采用S5-130W。另外，該設(shè)備具有一個四軸的全自動上下料系統(tǒng)(后文簡稱送料系統(tǒng))，所有待加工工件以及加工成品均可通過該裝置自動裝卸、運(yùn)送。近幾年，由于控制系統(tǒng)元器件的老化，設(shè)備的故障率極高，影響了正常的生產(chǎn)。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　2.1 方案配置　

　　該設(shè)備是精加工數(shù)控車床，具有三個刀架，每個刀架分別由兩個伺服電動機(jī)(x、z軸)拖動完成縱向和橫向的移動。刀架選用意大利的盤式刀架，每個刀架可安裝12把不同的刀具，并可實現(xiàn)就近找刀功能。三個刀架要求能夠同時、分時或者單獨對工件(炮彈彈體)進(jìn)行加工，在加工中要求主軸轉(zhuǎn)速可根據(jù)三個刀架的不同物理位置進(jìn)行隨機(jī)調(diào)整，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過渡，保證工件的加工精度及表面粗糙度，通常情況下刀架1和刀架3在加工中同步等速運(yùn)行。另外，送料系統(tǒng)需要在加工的過程中和主機(jī)以點對點(point to point)方式進(jìn)行實時通信，送料系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)部分的工作狀態(tài)完成自動識別、判斷，從而達(dá)到智能裝卸工件的功能。

　　基于機(jī)床的三刀架加工、自動裝卸工件的雙重功能以及設(shè)備的特性和工件加工的工藝要求，因此在選擇數(shù)控系統(tǒng)時要求所選數(shù)控系統(tǒng)具備多通道功能。西門子840D系統(tǒng)具有10方式組、10通道以及最多可配置31軸的功能，選擇該數(shù)控系統(tǒng)完全可以滿足本設(shè)備的控制要求，根據(jù)設(shè)備的加工特性有兩種配置方案可供選擇。具體的配置方案如下：

　　方案1：設(shè)備采用西門子840D控制系統(tǒng)，選用多通道系統(tǒng)軟件，通過機(jī)床數(shù)據(jù)激活所需通道，確保系統(tǒng)具備四通道功能。系統(tǒng)控制的軸包括主軸、XI、xⅡ、XⅢ、ZI、ZⅡ、ZⅢ、P1、P2、X1、Z1共11軸，其中刀架1的XI、Z1分配到第一通道；刀架2的XⅡ、ZⅡ分配到第二個通道；刀架3的XⅢ、ZⅢ分配到第三個通道；送料系統(tǒng)的P1、P2、X1、Z1軸分配到第四通道，主軸定義為公共軸，為刀架1、2、3共同使用。

　　方案2：設(shè)備主機(jī)部分采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，選用多通道系統(tǒng)軟件，確保系統(tǒng)具備三個通道，系統(tǒng)控制的軸包括主軸、XI、XⅡ、XⅢ、ZI、ZⅡ、ZⅢ共七軸，其中刀架1的x I、z 1分配到第一個通道；刀架2的XⅡ、ZⅡ分配到第二個通道；刀架3的xⅢ、zⅢ分配到第三個通道，主軸定義為公共軸，被刀架1、2、3共同使用。另外，送料系統(tǒng)采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)P1、P2、X1、Z1四軸控制，通過下面幾個主要機(jī)床數(shù)據(jù)的設(shè)置完成對840D數(shù)控系統(tǒng)的通道分配，公共軸(主軸)定義，擴(kuò)展通道的激活等功能。

　　兩套控制系統(tǒng)間可采用點對點通訊(point to point)，即通過兩套系統(tǒng)的輸入輸出接口進(jìn)行信息傳送，以保證控制系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)工作。

　　以上兩種控制方案各有其優(yōu)缺點，首先從電氣的角度來講，采取方案1應(yīng)該說是最合理的，因為所有的軸及不同的通道間統(tǒng)一由同一個控制系統(tǒng)來處理，因此在動作的協(xié)調(diào)上以及響應(yīng)速度上都容易處理，而且各通道間的數(shù)據(jù)交換由系統(tǒng)自行處理，調(diào)試周期短，PLC程序處理簡單。但是從該設(shè)備的現(xiàn)狀出發(fā)，使用該方案有其不足之處：該設(shè)備的送料系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)承重部分采用的是輕巧的鋁制部件，采用這種材質(zhì)部件使得電動機(jī)的承載力減輕，運(yùn)動起來更靈活，但其缺點是容易損壞，稍有碰撞便會損壞機(jī)械部件，造成設(shè)備不能正常工作，影響正常的生產(chǎn)。而方案2卻能夠很好的解決這個問題。由于方案2采用雙系統(tǒng)控制模式，因此在系統(tǒng)問的信息處理上就存在一定的困難，系統(tǒng)問及時的信息交換是該方案的重點及難點，但其最大的優(yōu)點是系統(tǒng)間雖然在使用中有必然的聯(lián)系但是同時各系統(tǒng)又是獨立的控制單元，各自可以獨立工作，因此從維修的角度來講就非常方便。假設(shè)機(jī)械手部分出現(xiàn)故障，便可切斷送料系統(tǒng)，在不對840D控制系統(tǒng)進(jìn)行任何處理的情況下，主機(jī)部分可通過人工送料的方式(該方式也是一種行之有效的加工方式)繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)，而且在主機(jī)工作的同時也可對機(jī)械手進(jìn)行維修，不會影響正常生產(chǎn)。另外，在主機(jī)進(jìn)行加工的過程中，也可將機(jī)械手切換到手動方式工作，非常靈活。又因為機(jī)械手采用獨立控制，所以可以實時通過802D系統(tǒng)監(jiān)視器監(jiān)控機(jī)械手的狀態(tài)?；谝陨系姆治?，所以最終確立方案2來完成對該設(shè)備的控制。

　　2.2 控制系統(tǒng)主要部件

　　(1)主機(jī)部分：(控制系統(tǒng)為西門子840D數(shù)控系統(tǒng))

　?、貼CU軟件(6FC5357—0BB22—0AE0)：NCU572.3具備10通道，最多可配置31軸。

　?、赑Cu50(6Fc5210一0DF22—0AA0)：1.2G／256M內(nèi)裝HMI高級接口軟件(中英文顯示)。

　?、埏@示器(6FC5203—0AF00—0AAl)：10．4英寸TFT彩顯OP010一臺。

　　④數(shù)模轉(zhuǎn)換部件(6SNlll5—0BAll—0AA0)：采用西門子ANA轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)9／模擬信號的轉(zhuǎn)換，用來控制主軸一塊。

　?、輽C(jī)床控制面板(6FC5203—OAF22—0AA0)：西門子專用19英寸控制面板(MCP)，自帶15個用戶自定義按鍵一塊。

　　⑥手持單元：多功能西門子MINI型手持單元一套。

　?、唑?qū)動部件：進(jìn)給軸：驅(qū)動器采用西門子SIMODRIVE611D交流驅(qū)動裝置，電動機(jī)采用西門子1FK7交流伺服電動機(jī)，XI、XⅡ、XⅢ軸電動機(jī)(1FK7101—5AF71—1AH0)27 Nm，ZI、ZⅡ、ZⅢ軸電動機(jī)(1FK7103—5AF71—1AGO)36 Nm；主軸：驅(qū)動采用西門子直流驅(qū)動裝置6RA70(210A)，電動機(jī)采用西門子直流電動機(jī)(60 kW)。

　?、辔豢夭考哼M(jìn)給軸：ZI、zZⅡ、ZⅢ軸選用海德漢ROD型1Vpp編碼器(6FX2001—3AC50)實現(xiàn)全閉環(huán)控制，分辨率為2 500；主軸：選用海德漢ROD型1Vpp編碼器(6FX2001—3AB02)實現(xiàn)恒現(xiàn)速，每轉(zhuǎn)進(jìn)給的功能，分辨率為1 024。

　　⑨輸入輸出接口：采用S7—300系列PLC通過IM361與NCU連接。

　　(2)送料系統(tǒng)部分(控制系統(tǒng)采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng))

　　①數(shù)控系統(tǒng)(6FC5600—0AG02—0AA0)：西門子802D基本配置2一套，包括PCU一件、數(shù)字鍵盤一件、611UE控制板2套、72／48輸入輸出模塊一塊。

　?、隍?qū)動部分：進(jìn)給軸驅(qū)動器采用西門子SIMO—DRIVE 61lUE交流驅(qū)動裝置，電動機(jī)采用西門子1FK7交流伺服電動機(jī)，P1、P2軸電動機(jī)(1FK7060—5AF71—1AB0)6 Nm，X軸電動機(jī)(1FK7060—5AF71—1AA0)6 Nm，Z軸電動機(jī)(1FK7101—5AF71—1AA0)27 Nm。

3 控制系統(tǒng)完成的功能

　　本設(shè)備的加工工藝有其特殊性，這里從NC機(jī)PLC兩個方面來闡述如何完成對工件的加工，以及如何實現(xiàn)840D和802D系統(tǒng)間的信息交換過程，這兩點也是本設(shè)備的重點及難點。

　　3.1 工件的加工工藝

　　本設(shè)備在對工件進(jìn)行加工時，要求三個刀架同時參與加工。

　　其中：刀架1主要完成工件的粗加工；刀架2主要完成精加工；刀架3配合刀架1完成粗加工以及輔助裝卸工件。在加工過程中有三個工藝要點：其一，在加工彈體大圓弧時要求刀架1和刀架3同步加工；其二，為保證工件表面粗糙度要求須進(jìn)行恒線速加工；其三，防止刀架1和刀架2在加工過程中發(fā)生碰撞，要求兩刀架問的位置差要大于一個恒定的數(shù)值。要解決這三個工藝要求，需要從NC和PLC兩方面進(jìn)行處理。

　　NC方面可通過通道間的同步等待指令WAITM(．．)實現(xiàn)刀架1和刀架3同步JJuT_，通過機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)置x軸為FACE軸，實現(xiàn)恒線速加工。通過系統(tǒng)變量$A_IN[．]讀取PLC程序的接口地址信息，來控制刀架2的跟隨位置，以實現(xiàn)防碰撞功能，同時在PLC程序中通過FB2功能塊讀取z1軸的坐標(biāo)位置，通過PLC程序處理后將最終信息通過NC擴(kuò)展數(shù)字接口信號傳遞給NC系統(tǒng)變量$A—IN[．]，NC程序通過訪問$AjN[．]從而獲取zl軸的動態(tài)位置信息。下面通過NC以及PLC程序片斷說明該功能的實現(xiàn)過程。

　　上面P111為通道1(即刀架1)的NC程序，P222為通道2(即刀架2)的NC程序，P333為通道3(即刀架3)的NC程序，其中“WAITM(1，1，3)”為1和3刀架同步加工指令，即只有兩個通道都讀到該指令時兩刀架同時開始執(zhí)行工件同步加工；WAITM(5，1，2，3)為三個刀架的同步指令，功能同WAITM(1，1，3)；“G96S90 LIMS=700”為恒線速指令，該指令控制最高線速度為700 r／min；“IF$A—IN[9]==0 GOTOBMARK”語句完成實時監(jiān)控功能，通過PLC程序以20ms的速度反復(fù)讀取z1軸的坐標(biāo)位置，從而實現(xiàn)刀架2的同步跟隨功能，避免刀架1和刀架2在加工過程中出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。zl軸的位置信息是通過以下PLC控制程序來實現(xiàn)的。

　　3.2 系統(tǒng)問的Point to Point(點對點)通訊

　　使用本設(shè)備時，需要主機(jī)部分和送料系統(tǒng)有序地進(jìn)行工作。換句話說，就是要求裝卸工件時，主機(jī)第三通道的刀架3配合送料系統(tǒng)完成工件的裝卸；主機(jī)在進(jìn)行工件加工的過程中，要求送料系統(tǒng)能夠自動完成下一個工件的預(yù)抓準(zhǔn)備工作，在主機(jī)對工件完成加工后以最短的時間完成下一個周期工件裝卸任務(wù)，要求裝卸料過程占用加工時間越少越好(一般情況下不超過1 min為宜)。要使這個過程有序地進(jìn)行就需要兩控制系統(tǒng)間通過輸入輸出接口點對點進(jìn)行及時的信息交換。也就是說通過840D系統(tǒng)的數(shù)字輸出接口將主機(jī)的狀態(tài)信息傳遞給802D控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入接口，送料系統(tǒng)通過802D控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入接口讀取主機(jī)的狀態(tài)信息；同樣送料系統(tǒng)通過802D控制系統(tǒng)的數(shù)字輸出接口將其工作狀態(tài)傳遞給840D系統(tǒng)的輸入接口，主機(jī)再通過輸入接口讀取送料系統(tǒng)的工作狀態(tài)。這種通訊方式可以簡單的稱之為點對點(PTP)通訊(Point To Point)方式，對于響應(yīng)速度要求不是很高的場合它不失為一種簡潔可靠的通訊方式。下面通過介紹本設(shè)備的整個加工過程來進(jìn)一步了解PTP通訊方式的特點。

　主機(jī)與送料系統(tǒng)間主要有兩個關(guān)鍵位置(刀架3的輔助接料、送料位置)和三個工作狀態(tài)(是否啟動送料系統(tǒng)，天窗是否打開，主軸上是否有待卸成品)需要進(jìn)行信息交換。在主機(jī)NC程序中通過自定義的宏指令來完成系統(tǒng)間的信息交換。下面以部分NC程序來說明。在此之前首先介紹一下在NC程序所要用到的部分高級NC指令和幾個自定義宏指令。

　(1)高級NC指令

　?、買NIT(n，”_N_文件名_MPF”，”n”)：該指令用于定義在第n個通道中需要執(zhí)行的文件。

　　②START(n)：該指令用于啟動通道n中的程序。(查)WAITM(n，1，2，3)：該指令用于定義在通道1、2和3中的等待標(biāo)志n。

　?、踂AITE(n)：等待通道n中的程序結(jié)束指令。

　　(2)自定義宏指令

　?、賁TART—ROBOT(啟動送料系統(tǒng)NC程序)：在840D系統(tǒng)NC程序中可以通過該指令自動啟動802D系統(tǒng)的特定NC程序。在使用該指令時，802D系統(tǒng)應(yīng)選擇自動工作方式。另外本指令為非模態(tài)指令，也就是說該指令只在當(dāng)前行有效。

　?、赥AKEOUT_READY(抓取成品位置準(zhǔn)備好)：在成品卡爪抓住成品，下刀架退回至安全位置后，使用該指令可以再次激活機(jī)械手完成卸掉成品工件的任務(wù)。該指令為非模態(tài)指令，只在當(dāng)前行有效。

　?、跧NSTALL—READY(裝毛坯位置準(zhǔn)備好)：在毛坯爪將毛坯送至卡盤，下刀架移到裝載位置后，使用該指令可以再次激活機(jī)械手完成安裝工件的后續(xù)工作。該指令為非模態(tài)指令，只在當(dāng)前行有效。

　　首先在通道1中選擇100.MPF→在通道2中選擇200.MPF→將送料系統(tǒng)設(shè)定為自動方式→啟動主機(jī)控制系統(tǒng)(840D系統(tǒng))→程序1通過第N10行指令調(diào)用程序2→運(yùn)行至N30行時啟動通道2中的程序→程序1執(zhí)行至N50行時暫停運(yùn)行等待程序2中的同步指令WAITM→程序2在N10段啟動送料系統(tǒng)的NC程序運(yùn)行→在程序2中通過N30及NS0段的指令TAKEOUT'→READY和INSTALL_READY卸下及安裝工件→執(zhí)行至N70段時由WAITM(1，1，2)指令再次啟動程序1_程序1執(zhí)行至N70段時再次暫停執(zhí)行等待程序2中的M30程序結(jié)束指令_等待程序2執(zhí)行結(jié)束后_程序1再次從等待位置啟動直至加工結(jié)束。

　　從程序中可以看出，通過自定義宏指令START_ROBOT、TAKEOUT_READY、INSTALL—READY就可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)間的信息交換。另外，使用840D控制系統(tǒng)的“程序控制”功能，通過激活或者取消“SKIP”功能可以方便地實現(xiàn)手動裝卸工件，中斷送料系統(tǒng)的執(zhí)行。

4 結(jié)語

　　點對點的通訊方式為控制系統(tǒng)的拓展使用提供了一種新思路。改造后的設(shè)備經(jīng)過一年多的使用，其功能及效率方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原控制系統(tǒng)，故障率非常低，且維修方便快捷，保證了生產(chǎn)的正常有序進(jìn)行。