西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用

1 引言

    在制造業(yè)現(xiàn)代化的今天，生產(chǎn)的高效率和產(chǎn)品的高質(zhì)量要求使得一些高精度數(shù)控機(jī)床和高性能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也使許多普通機(jī)床和傳統(tǒng)工藝難以解決的問題變得相對簡單了一些，使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也有很大程度的保證。我公司的玻璃數(shù)控鉆孔機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)采用了西門子公司的SINUMERIK 840D系統(tǒng)，在使用過程中高精度的產(chǎn)品質(zhì)量和極低的故障率（主要取決于清晰的可視化報(bào)警信息，使得故障能夠迅速排除）贏得了客戶對此系統(tǒng)的信任。下面對SINUMERIK 840D系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹如下：

2 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成

    此設(shè)備用于玻璃的鉆孔加工，如圖1所示，整個(gè)機(jī)加上有兩根平行的橫梁，兩對鉆軸分別安裝在由4個(gè)位置電機(jī)帶動(dòng)可左右移動(dòng)的固定板上，每塊固定板分別由固定在橫梁上下的兩個(gè)直線導(dǎo)軌滑塊與固定板連接在一起，鉆軸的左右移動(dòng)由固定在固定板上的位置電機(jī)M1,M2,M3,M4通過齒輪齒條帶動(dòng)鉆軸沿Y方向左右移動(dòng)。每個(gè)鉆軸的內(nèi)部由兩個(gè)電機(jī)組成,靠近鉆頭的電機(jī)（M7,M9,M11,M13）帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆軸的另外一個(gè)電機(jī)（M6,M8,M10,M12）通過電機(jī)內(nèi)部的絲杠螺母副將電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向升降運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鉆頭作上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即Z向運(yùn)動(dòng)。玻璃定位時(shí)首先由X方向定位裝置（此裝置在圖中未畫出，其方向?yàn)榇怪庇诩埫娴姆较�，裝置的運(yùn)動(dòng)由X方向位置電機(jī)M5驅(qū)動(dòng)）將玻璃推至準(zhǔn)確位置，各鉆軸沿Y方向移動(dòng)至正確位置，下鉆頭上升，開始鉆玻璃的下平面，鉆至設(shè)定的深度，下鉆頭退回，然后上鉆頭下降鉆玻璃的上平面，鉆至設(shè)定的深度后退回。此設(shè)備可同時(shí)對兩個(gè)孔進(jìn)行加工。

圖1  機(jī)械結(jié)構(gòu)組成圖

3 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)

    3.1 硬件部分
    SINUMERIK 840D采用特殊的三CPU結(jié)構(gòu)：人機(jī)通信CPU、數(shù)字控制CPU（NC-CPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLC-CPU）。如圖2所示MMC-CPU在OP012人機(jī)界面內(nèi)，NC-CPU和PLC-CPU集成在NCU572內(nèi)。

圖2  840D數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成

    3.1.1  NCU數(shù)字控制部件
    以NCU572為核心，電源模塊采用SIMODRIVER 611D，電源模塊主要為NCU和給611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)提供控制和動(dòng)力電源，產(chǎn)生母線電壓，同時(shí)監(jiān)測電源和模塊的狀態(tài)。后面有三個(gè)進(jìn)給模塊通過驅(qū)動(dòng)總線接口與NCU572掛接，數(shù)控和驅(qū)動(dòng)的接口信號為數(shù)字量，分別驅(qū)動(dòng)兩對鉆頭的Y方向位置電機(jī)（M1,M2,M3,M4）和X方向位置電機(jī)M5。同時(shí)NCU572又通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與OP012人機(jī)界面、S7-300PLC及控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器連接在一起。
    3.1.2 MMC人機(jī)通訊
    人機(jī)通訊是數(shù)控系統(tǒng)和人進(jìn)行信息交流的通道。包括: OP（Operation Panel）和MMC。
    （1） OP012 操作面板
    OP（Operation Panel）單元由一個(gè)12.1″TFT顯示屏和一個(gè)NC鍵盤組成。人機(jī)界面OP012采用Windows 95作為操作平臺，使操作簡單、靈活，易掌握。生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變更和各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控，在OP012上清晰可見，其軟件內(nèi)容豐富功能強(qiáng)大。
    （2） MMC計(jì)算機(jī)
    MMC實(shí)際上是一臺計(jì)算機(jī)。它有自己獨(dú)立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟驅(qū)。OP單元正是這臺計(jì)算機(jī)上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺計(jì)算機(jī)中。
    3.1.3  PLC模塊
    SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊。其電源由西門子SITOP電源（40A）提供，接口模塊IM361是用于級之間的互連。它通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與NCU572連接。在IM361右側(cè)為信號模塊，信號模塊是用于PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。即輸入模塊SM321和輸出模塊SM322。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的。設(shè)備上的各種光電開關(guān)、行程開關(guān)的輸入和電磁閥、接觸器的輸出信號分別與輸入和輸出模塊相連，控制各種外部執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)動(dòng)作。
    3.1.4  各部分相互連接
    NCU數(shù)控單元是CNC控制部件的核心，它與MMC、伺服電源模塊、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)連接。本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，伺服電機(jī)采用1FK型內(nèi)置編碼器電機(jī)，通過伺服電機(jī)編碼器作為位置檢測元件，將位置信號反饋至數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊（611D）的位置接口X411，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對玻璃鉆孔孔位的精確定位控制。在鉆孔時(shí)為確保上下鉆頭的同心度（即上下鉆頭中心重合），在四個(gè)位置電機(jī)移動(dòng)的Y方向上設(shè)置了四個(gè)行程開關(guān)，作為四個(gè)鉆軸的參考點(diǎn)位置。在打開機(jī)器電源后，需要對各鉆軸進(jìn)行參考點(diǎn)復(fù)位動(dòng)作，即給各鉆軸的編碼器賦值（剛打開電源時(shí)各編碼器的值均為零。在進(jìn)行參考點(diǎn)復(fù)位時(shí)，鉆軸運(yùn)行到行程開關(guān)的位置時(shí)，編碼器的值變成系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的參考點(diǎn)的值）。當(dāng)上下鉆頭出現(xiàn)位置偏差時(shí)，在系統(tǒng)的軟件內(nèi)還設(shè)置了誤差補(bǔ)償量，通過調(diào)整補(bǔ)償量可以很方