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?高速加工中心數控系統開發和應用

時間:2017年04月07日來源:廣東捷弘數控智能科技有限公司

高速加工中心數控系統開發和應用

1 技術背景
高速加工技術是世界范圍內倍受關注的前沿技術，它將極大的促進加工的效率和產品品質。我廠針對這一潛在的市場需求，在近兩年對高速加工中心進行了兩輪開發設計和試制，在第一輪的開發設計中，電氣控制系統采用的是德國INDRAMART 數控系統，該系統的硬件平臺是基于工業 PC 主板，NC 和 PLC 以板卡的形式插在工控機擴展槽內，該系統的特點是：用戶開放性好，軟件工具專業性強，系統功能集成度高，但隨之也出現了應用上的局限：系統運行依賴于硬盤，一旦硬盤損壞，系統需恢復才能運行；控制軟件和零件加工程序的編制通用性不強；伺服電機特性曲線較軟，這在一定程度上抑制了數控軸高速性能的提升或增加了電機體積和相應的費用。在高速加工中心第二輪開發設計中，通過對SIEMENS 840D 的系統性能分析與比較，認為SIEMENS 840D 數控系統能克服以上應用的局限，性價比高，并且在市場上份額大，用戶群體中有相當的口碑，應用該系統，將會提高我廠高速加工中心的市場競爭力。
高速加工中心第二輪開發試制已完成階段性工作，在這里將從硬件配置、軟件標準化編程、關鍵技術應用開發等幾個方面著重描述系統配置、光柵尺全閉環應用、龍門式同步軸調整、和第三方主軸調整等關鍵技術，為我廠后期電氣控制技術的提升提供參考和經驗。
2 硬件配置要點
該高速加工中心的 840D 數控系統硬件配置
高速加工中心 840D數控系統硬件配置
一層網是：MPI / OPI 網：它將 840D控制核心NCU、人機界面 HMI- PCU50、機床操作面板 MCP連接在一起，使操作者可通過 HMI 或 MCP 來訪問控制器 NCU，實現系統參數、程序等數據的調整輸入和輸出、設備狀態的可視化等功能。在該網設置中可有兩種形式：MPI 或 OPI ，它們的區別在于傳輸速率不同：
MPI 的速率為 187.5Kbit/S，OPI 的速率為 1.5Mbit/s 一般情況下選擇后者。在設置中應注意以下三點：
1、 MPI/OPI 的設置在 PLC 控制程序（即：NCU中）、HMI 上、MCP 三者要保持一致，否則造成網絡故障。
2、在 HMI 進行初始化后，MMC 的設置恢復到默認值，應進行檢查和修改，保證網絡地址不沖突，否則造成網絡故障。
3、PI / OPI 低層通訊協議遵循 RS485 協議，在硬件上使用雙絞線和 DP 接頭，為了在網絡兩端接入終端電阻，應從 DP 接頭的進線端接入，否則造成網絡不穩定或故障。
兩個總線是：驅動總線和設備總線，驅動總線通過串聯實現 NCU 與 611D 驅動器位控板之間的信號傳遞。設備總線是驅動電源模塊向 NCU、611D 位控板提供工作電源（+15V）和監控功率部件溫度。在該項目中，采用了設備總線雙層安裝方高速加工中心數控系統開發和應用式，主要是考慮到設備總線的連接能力，此外，在電機、功率部件確定的情況下，如何選擇電源模塊，是決定高速加工中心電氣控制的關鍵，下面想就此做詳細的分析。
（一）計算軸連續饋入功率：
通過下表可計算出各軸的輸出額定功率

根據電源模塊工作特性，輸出額定功率在1.8～8.8KW 的軸為 B 軸和刀庫 STK 這 2 個軸，B軸的進給系數為 0.38，刀庫的進給系數為 1；輸出額定功率在 8.8～27KW 的軸為 X1、X0、Y、Z 這 4個軸，它的進給系數為 0.38；則所計算出來的進給軸連續饋入功率：
P2 =（3.570.38 +4.8 * 1 +（10.5 +10.5 +14.7 +10.5）70.38）71.1=26.05KW
而主軸的連續饋入功率：P3 =1.25734 =42.5KW則總系統連續饋入功率 P4=P2+P3=68.55KW
（二）計算軸峰值饋入功率
通過下表可計算出各軸的峰值功率

總系統連續饋入功率 P6=P5+P3=126KW
分析：通過以上計算，可以看出：電源模塊的選擇應滿足：
連續饋入功率> 68.55KW （P4）
峰值饋入功率> 126KW （P6）
結果：選擇了電源模塊的連續饋入功率為80KW，峰值饋入功率為 131KW，滿足以上使用要求。
（三）檢查允許的電子和功率供電能力
雖然通過以上計算，所選擇的電源在強電回路滿足使用要求，但還需進行其電子回路和功率部件回路供電能力的檢查，如果能力不夠，必須采取措施，保證系統可靠地運行。下面是電源供電能力的計算：

系統規定：T-EP 必須小于 8，T- AP 必須小于17，而以上計算結果均不滿足這一條件，在該系統設計時，采用一塊監控模塊，來分擔系統對電子回路和功率部件回路電源管理的壓力。具體做法是電源模塊在電子線路上只帶主軸和 Y 軸，其余的軸由監控模塊供電。如下表計算：
由電源模塊帶的軸配置計算：
由監控模塊帶的軸配置計算：

通過以上措施，完全滿足系統要求，保證了系統可靠、穩定地運行。
需要說明的是：在 Y 軸電機和驅動的選型上，對其扭矩提升了一檔，電機最大扭矩為70NM，驅動輸出最大電流為 112A，較好地解決了以往 Y軸響應低的問題。
3 軟件標準化設計:
軟件設計主要是指 840D 數控系統的 PLC 程序設計，在該項目中，對其中關鍵程序進行了標準化設計，主要是將主軸和進給軸分別編寫相應的標準功能塊 FC，對西門子提供的手輪功能塊做適應性的修改和擴展，為該系統軟件標準化設計作出努力。主要的做法是：圍繞軸使能、軸禁止、進給倍率、位置環激活等內容，用形參（符號）進行編程，組織其正確的邏輯關系和時序，當對軸編程時，只需調用此功能塊，并對相應的形參賦值，以下為標準功能塊的一部分：
FC100：
L #NUM_AXE
+ 30
T #NUMDB
OPN DB ［#NUMDB］
A M 0.1
= DBX 1.7 // 倍率激活
A #B65
= DBX 2.1 // 控制器使能
A #B663
= DBX 21.7 // 脈沖使能
A #FC_REF
= DBX 12.7 // 回零減速開關
A #FCHARD_P
= DBX 12.1 // 正向硬超程開關
A #FCHARD_M
= DBX 12.0 // 負向硬超程開關
以上 #B65、#B663、#FC_REF、#FCHARD_P、#FCHARD_M均為符號，對它們進行相應的賦值，就可對各個軸進行控制，大大簡化了控制程序，該程序運行良好。
此外，對移動手輪的控制程序進行優化和擴展，它可應用于所有該類型的手輪，對其它數控系統的應用也有借鑒意義，即移動手輪的控制程序已實現了標準化。
4 現場調試中關鍵技術的開發與應用
（一）全閉環位置環設置和補償
在該項目中 X1、X0、Y、Z 軸配置了距離編碼光柵尺，B 軸配置了角度編碼器，即參與插補的四個軸實現了全閉環控制，通過摸索，形成一套簡單而又行之有效的控制方法：
1、全閉環位置控制電氣設置
全閉環位置環設置與半閉環相似，主要是對軸參數進行設置，在設置時需注意的是指明所激活的位置環是第二位置環，并正確輸入反饋類型及極性，設置完成后，不需要回零減速開關，可進行正向或負向回零，對于采用了距離編碼的光柵尺，軸只需要移動相鄰的兩個零脈沖以上的距離，系統便會找到零點。這種回零方式簡單、靈活、可靠。
2、全閉環位置環補償
通過激光干涉儀的測量，發現各軸（光柵尺）有“縮水”現象，大約為 0.01mm，為了提高設備精度，有必要對全閉環位置環進行補償。由于采用的數控系統不同，補償方法也不同，以往我們只對FANUC、INDRAMART 數控系統進行了補償，對于西門子數控系統的補償還是第一次。具體方法為：
1> 由于補償參數的修改，可能造成 NC 系統內存的從新分配，所以在進行補償前應進行系統參數、補償數據、驅動參數等備份；
2> 修改參數 MD38000，設置補償點，將參數MD32700=0，允許寫入補償值；
3> 將 NC 中相應軸的補償文件 ARCHIVE 到硬盤中；
4> 將此文件拷貝到零件加工程序目錄下；
5> 打開此文件，刪除文件題頭，將補償數據逐個輸入；
6> 設備重新回零，并運行該零件加工程序；
7> 將參數 MD32700=1，使補償值有效；
8> 設備重新回零，補償完成。
通過補償，各軸的移動精度都有所提高，為：小于 0.01mm。
（二）龍門軸的控制方法和應用
為了提高 X 軸移動速度，X 軸由 X1、X0 兩個伺服電機驅動，其中一個是主動軸，另一個是從動軸，它們有各自的位置環（光柵尺）反饋，為了使它們能進行龍門式的同步動作，關鍵是要解決回零的問題。龍門軸的回零與其它軸的回零有所不同，通過摸索，主要有以下幾個過程，在此進行總結：
1、主動軸回零：回零過程與非龍門軸一致，即：對主動軸發出回零命令，主動軸就按設置好的回零方式進行回零，同時從動軸與主動軸同步運動；
2、一旦主動軸回零完成，從動軸自動開始回零，同時，主動軸與從軸同步運動；
3、當主 / 從軸均完成回零后，它們需要進行同步，如果此時主/從零點之間的距離值小于參數MD37110 中的數據，則同步自動完成，否則需進行下一步；
4、將主 / 從之間的差值輸入到主動軸的參數MD34090 中，使參數激活；
5、重新回零，主 / 從動軸重復上述 1～2 步，同步自動進行，則回零完成。
（三）第三方主軸的應用
在本項目中，采用的是瑞士 CYTEC公司的電主軸，其額定功率為 34KW，專為汽車工業中高效率節拍生產設計，適用于銑削、鉆削和攻絲等加工。由于它是非西門子公司產品，則要保證電主軸的各項電氣參數與西門子驅動和系統匹配，主要的電氣參數是電主軸的額定電壓、阻抗、頻率以及溫度傳感器、編碼器信號等，下表是電主軸的電氣參數：
將以上電主軸參數和其它相關共 30 多個參數輸入到系統驅動參數中，進行試運行，將主軸速度由低逐漸向高調整，觀察驅動器輸出的情況，調整主軸速度環增益，使驅動輸出在一定范圍內達到平穩，即可。
5 結束語
通過對高速加工中心的第二輪開發，更換了控制系統，在設計和調試中，解決了第一輪開發存在的 Y 軸響應低等諸多問題，掌握了西門子840D中關于驅動、電源選型、龍門軸控制、第三方主軸控制等高速加工中心特有的控制方法，為我廠在后續項目的設計和開發上提供了技術儲備。

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