立式两旋轮车轮辋旋压机控制系统的研究

摘要：本文在介绍SINUMERIK 840D通用数字控制系统的结构与特点的基础上，从系统硬件组态和软件编程两个方面探讨了其在立式两旋轮车轮辋旋压机中的具体应用。
关键词：SINUMERIK 840D；立式两旋轮车轮辋旋压机
SINUMERIK 840D NC system to implement revolve and suppress machine of two wheels
Wang xiao wei Sun hui xue Wang zhi song
Yanshan University Mechanical Engineering College 066004
Abstract：Based on configuration and character of SINUMERIK 840D general NC system, this paper discuss the application of it used in revolve and suppress machine of two wheels from hardware and software.
Key words：SINUMERIK 840D; revolve and suppress machine of two wheels
0 引 言
旋压机床的数控化始于六十年代后期，不过当时只是由数控带和机床控制器控制的简易数控旋压机。其后，获得飞速发展的计算机控制技术和微型计算机技术被引入这个领域，从而生产了机床结构和控制技术得到显著改进的各种自动旋压机。一台数控旋压机床不仅可以减轻工作人员的劳动强度，在提高旋压产品的生产效率和成品率等方面起到了关键性的作用,而且对于一些高精度技术要求和形状复杂的旋压产品，数控旋压机更加发挥了它的优势。
本机床是课题组自主研发的一台设备，它对数控系统的特殊要求是：
1) CNC可控制5个轴（2个进给轴X，2个进给轴Z，1个旋转轴C）；
2) PLC可处理输入/输出点为512/512个以上；
3) PLC用户程序存储容量要求在128K以上；
4) PLC具有完备的功能；
5) CNC系统必须有较快的运算速度,以满足X-Z轴联动的实时计算，要求32位CPU。
而SINUMERIK 840D数控系统均能满足上述要求。
1 SINUMERIK 840D数控系统性能
SINUMERIK 840D是西门子公司20世纪90年代推出的高性能数控系统。是建立在综合的系统平台上,通过系统设定功能而适用于所有的控制系统。840D与SIMODRIVE 611D数字驱动系统和SIMATIC S7可编程控制器一起，构成了一个全数字控制系统，用于各种复杂零件加工,并具有优于其他系统的动态品质和控制精度。使用SINUMERIK 840D，将具有一个集成的控制解决方案，将大大提高机组的生产效率。
2 硬件设计
该旋压机横向采用电液伺服闭环控制，其进给机构采用进口电液伺服阀及放大器、伺服油缸、光栅尺检测构成闭环控制系统,以上器件选用德国力士乐产品。其中两个旋轮呈180º 分布。横向伺服油缸采用低摩擦的洪格尔密封元件，伺服性能好。纵向进给系统由西门子伺服电机、编码器、减速器、滚珠丝杠、旋轮座体构成半闭环控制系统。该系统采用滚珠丝杠、大扭矩减速器，丝杠支承座内两个轴承全部采用瑞典SKF产品,系统刚性很高。通过对滚珠丝杠螺距误差的补偿及反向间隙补偿，提高了纵向进给系统的精度。
2.1 SINUMERIK 840D数控系统的组成：
SINUMERIK 840D是一种微处理数字控制系统，用于控制带数字驱动的机床。主要包括840D中NCU数控单元，人机交互装置MMC，驱动装置，可编程序控制器PLC等。其硬件组成如图1所示：

1) NCU数控单元
NCU数控单元是CNC控制部件的核心，根据NC和PLC存储容量的不同，该机床选用NCU571.3系列（可控制31个轴）。
2) 人机交互装置MMC模块
MMC模块是人机界面，用于图形的显示、数字的输入等。主要包括CPU，MCP，操作面板等。根据该机床的特点，我们选用OP 010(Operation Panel)操作面板，计算机选用MMC 103系列，MCP选用车床版系列。
3) 驱动装置
SINUMERIK 840D系统采用全数字伺服驱动SIMODRIVE 611D，可分别配以1FT 6进给电机构成进给驱动系统，配以1PH 7主轴电机构成主轴驱动系统。编码器信号为1Vpp正弦波，实现全闭环控制。
4） 编程序控制器PLC
SINUMERIK 840D系统集成了S7-300-2DP的PLC，并通过通讯模块IM 361扩展外部的I/0模块。
此外，SINUMERIK 840D采用MPI（Multiple Point Interface）总线技术，传输速率为187.5k/秒。
3 软件设计
　　SINUMERIK 840D的软件设计就是处理NCU和MMC之间、NCU和PLC之间、PLC与MMC之间的接口信号，NC的参数配置（包括各种补偿）以及PLC报警文本。 　　
3.1 PLC应用程序的设计
3.1.1 S7-300硬件配置
西门子S7-300 是模块化的可编程控制器,具有结构紧凑、可靠性高、对环境要求低、编程方便、编程指令丰富、容易联成网络、维护工作量小等优点。该系统由电源模块( PS 307 、接口模块( IM 361)、模拟量输入模块(SM 321)﹑模拟量输出模块(SM 322)和数字量输出模块（SM 332）组成。这些模块安装在一个机架上,其中CPU采用SINUMERIK 840D中集成的CPU。其系统硬件组态图 如图2所示：　　
机架：
PS 307(5A) IM361 DI DI DI DO DO DO AO
图2 系统硬件组态图
　　硬件连接好后，开始对系统进行PLC程序调试时，必须要求对系统作一次PLC总清或总复位。PLC总清完成后，PLC程序即可进行调试。SINUMERIK 840D的PLC使用的是SIMATIC
S7-300。故而调试软件为STEP 7。
　 通过PLC的编程功能，PLC程序能够对NCU、机床及机床控制面板的信号进行处理，同
时实现对急停信号与超程信号的实时监控，完成对坐标轴的定位控制。
3.1.2 PLC基本程序
　　西门子提供了一些数控PLC基本程序，用户可以根据实际情况调用这些标准功能块，而被系统占用的功能块不能再被编辑，一般用户可使用FB36—FB255，FC36—FC255基本程序由TOOLBOX工具提供。
基本程序项目库由组织块（OB），功能（FC），功能块（FB）和数据块（DB）构成。OB1为操作系统和用户程序之间的接口，FC或FB必须在组织块（OB）中被调用。
功能FC是类似于功能块的逻辑操作块，但是，其中不分配存储区。FC不需要背景数
据块。临时变量保存在局部堆栈中，直到功能结束。当FC执行结束时，使用的变量要丢失。
功能块FB是在逻辑操作块内的功能或功能组，在操作块内分配有存储器，并存储有变
量。FB需要这个背景数据块的辅助存储器。通过背景数据块传递参数，而且一些局部参数也保存在此区。其他的临时变量存在局部堆栈中。保存在背景数据块内的数据，当功能块关闭时数据仍保持。
　　数据块（DB）与逻辑块不同，在数据块中没有STEP7的指令。它们用于存放用户数据。DB的大小可以不同。用户可以用任意方式来建立数据块的结构，以适合其不同的需求。
当CPU 与NCK启动时，需要建立PLC和NCK之间的数据交换接口。就必须在PLC启动时（即OB 100执行时），完成PLC和NCK接口配置文件，接口参数配置由FB1来完成，而FB1必须在OB100中进行调用，FB1的参数设置存放在DB7数据块中。其调用程序如下:
Call FB1,DB7
MCPNum:=1 //Nunmber of active MCPs
MCP1In:=P#I100.0 //start address input signals MCP1
MCP1Out:=P#Q100.0 //start address output signals MCP1
MCP1StatSend:=P#Q108.0 //status DW for transmission MCP1
MCP1StatRec:=P#Q112.0 //status DW for receiving MCP1
MCP1BusAdr:=6 //bus address of machine control panel
MCP1Cycl:=S5T#200MS //Time reference for cyclic updating of signals to machine control panel
MCP1Timeout:=S5T#700ms //Cyclic sign-of-life monitoring for machine control panel
西门子公司为用户提供了标准机床面板（MCP），在使用标准面板时，应在OB1调用MCP应用的基本程序FC25（车床版），输入适当的参数。其具体程序如下：　　
Call FC25 //Machine control panel M variant signals to interface
Mode group No:=B#16#1 //Model group No.1
Channel No:=B#16#1 //Channel No.1
Spindle IF No:=B#16#5 //Spindle interface number=5
FeedHold:=M120.0 //Feed stop signal
SpindleHold:=DB2.DBX153.0 //Spindle stop signal
　　因此对于机床制造厂家来说，只需对FB1,FC2,FC3,FC19/FC25,FC10作研究即可。　　
3.1.3 用户基本程序
根据实际情况，用户可以建立自己的程序块。在本次设计中除了西门子公司提供的基本程序块外，用户还自己建立了程序块FC52（X轴与Z轴）控制、FC53（“C”旋转轴控制）、FC54（尾座控制）、FC59（喷雾冷却控制）等等。
3.2 接口信号选用
在编写PLC程序过程中，必然涉及到接口信号的选用和处理，因此如何选用合理的接口信号，在设计中显得由为重要。840D数控系统为设计人员提供了大量的接口控制信号，如：PLC — NCK控制信号、PLC — MMC控制信号、MMC — NCK控制信号。本次设计中主要用到的接口信号有：轴的控制信号、程序控制信号﹑急停信号、复位信号、硬件限位开关、参考点信号等。
1） 轴的控制信号
DB31.DBX2.1 (PLC至 NCK X轴伺服使能)
DB31.DBX21.7 (PLC 至NCK X轴脉冲使能)
… …
DB33.DBX83.5 (PLC至 NCK 旋转轴在设定值范围内)
DB33.DBX83.7 (PLC至 NCK 旋转轴实际旋转方向)
2） 程序控制信号
DB21.DBX0.3 (PLC至 NCK 激活DRF)
DB21.DBX0.5 (PLC至 NCK 激活M01)
DB21.DBX0.6 (PLC至 NCK 激活空转进给率)
3） 急停信号
DB10.DBX56.1 (到NCK的通用信号 急停响应)
DB10.DBX56.2 (到NCK的通用信号 急停确认)
DB10.DBX106.1 (NCK到PLC的通用信号 急停有效)
4） 复位信号
DB21.DBX6.0 （PLC至 NCK禁止进给）
DB21.DBX6.1 （PLC至 NCK禁止读入）
DB21.DBX7.7 (PLC至 NCK 复位信号)
5） 硬件限位开关
DB31.DBX12.1 (PLC至 NCK X轴硬件限位开关正)
… …
DB32.DBX12.0 (PLC至 NCK Z轴硬件限位开关负)
6） 参考点
DB31.DBX12.7 (PLC至 NCK X轴延迟回参考点)
DB32.DBX12.7 (PLC至 NCK Z轴延迟回参考点)
3.3 NC的配置
　　SINUMERIK 840D的NC配置主要是参数数据配置，包含机床数据的设定和驱动数据的设定。其中机床数据又包含：操作面板机床数据，通用机床数据，基本通道类机床数据，轴类机床数据等。本次设计中涉及到两个“X”轴、两个“Z”轴和一个旋转轴“C”，几个坐标轴参数配置相同，现就“X”轴为例说明轴参数的配置：
1） 操作面板机床数据（MD9000—MD9999）
操作面板机床数据是对机床面板、语言版本、显示分辨率和各种保护级等的设定。
2） 通用机床数据（MD10000—MD18999）
通用机床数据主要用于对机床坐标轴的定义、PLC运行时间的设定与监控、用户数据自
定义参数的设定等。部分机床数据如下:
MD10000[0]=X //机床坐标轴名X轴
MD13000[0]=1 //激活驱动器（611D）
MD13030[2]=2 //双轴驱动模块
　　MD13040[2]=1 //驱动类型为进给轴
3） 通道类机床数据（MD20000—MD28999）
通道类机床数据主要用于通道的设定、几何坐标轴的设定和选用、G功能的选用等。部分数据如下:
MD20000=DH2200 //通道名
MD20050[1]=1 //设定机床所用几何轴号为1
MD20060[1]=0 //设定所在几何轴名为0
MD20070[3]=0 //设定通道中有效的机床轴号　　
4） 轴类机床数据（MD30000—MD38999）
轴类机床数据是对机床坐标各通道轴速度大小、方向和定位，误差补偿等参数设定，其中部分机床数据如下：
MD30130[0 AX1]=1 //设定值输出类型为伺服电机
MD30200[0 AX1]=1 //编码器数为1
MD31000[0 AX1]=1 //直接测量系统为光栅尺
MD32000[AX1]=500r/mm // X轴最大轴速率
MD32110[AX1]= -1 // X轴运动的方向
4 结束语
　　西门子840D数控系统是当今世界较为先进控制系统，因其体积小，功能强，程序设计简单，维护方便，性能稳定等特点，故受用户的青睐。在立式两旋轮车轮辋旋压机中的应用，可以提高旋压机的精度，并使操作更为方便。