1 技術(shù)背景

　　高速加工技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大的促進(jìn)加工的效率和產(chǎn)品品質(zhì)。我廠針對(duì)這一潛在的市場(chǎng)需求，在近兩年對(duì)高速加工中心進(jìn)行了兩輪開發(fā)設(shè)計(jì)和試制，在第一輪的開發(fā)設(shè)計(jì)中，電氣控制系統(tǒng)采用的是德國(guó)INDRAMART 數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是基于工業(yè) PC 主板，NC 和 PLC 以板卡的形式插在工控機(jī)擴(kuò)展槽內(nèi)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：用戶開放性好，軟件工具專業(yè)性強(qiáng)，系統(tǒng)功能集成度高，但隨之也出現(xiàn)了應(yīng)用上的局限：系統(tǒng)運(yùn)行依賴于硬盤，一旦硬盤損壞，系統(tǒng)需恢復(fù)才能運(yùn)行；控制軟件和零件加工程序的編制通用性不強(qiáng)；伺服電機(jī)特性曲線較軟，這在一定程度上抑制了數(shù)控軸高速性能的提升或增加了電機(jī)體積和相應(yīng)的費(fèi)用。在高速加工中心第二輪開發(fā)設(shè)計(jì)中，通過對(duì)SIEMENS 840D 的系統(tǒng)性能分析與比較，認(rèn)為SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)能克服以上應(yīng)用的局限，性價(jià)比高，并且在市場(chǎng)上份額大，用戶群體中有相當(dāng)?shù)目诒瑧?yīng)用該系統(tǒng)，將會(huì)提高我廠高速加工中心的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

　　高速加工中心第二輪開發(fā)試制已完成階段性工作，在這里將從硬件配置、軟件標(biāo)準(zhǔn)化編程、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用開發(fā)等幾個(gè)方面著重描述系統(tǒng)配置、光柵尺全閉環(huán)應(yīng)用、龍門式同步軸調(diào)整、和第三方主軸調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)，為我廠后期電氣控制技術(shù)的提升提供參考和經(jīng)驗(yàn)。

2 硬件配置要點(diǎn)

　　該高速加工中心的 840D 數(shù)控系統(tǒng)硬件配置如下圖 1 所示：大體上可歸結(jié)為一層網(wǎng)、兩個(gè)總線

圖 1 高速加工中心 840D數(shù)控系統(tǒng)硬件配置

　　一層網(wǎng)是：MPI / OPI 網(wǎng)：它將 840D控制核心NCU、人機(jī)界面 HMI- PCU50、機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、程序等數(shù)據(jù)的調(diào)整輸入和輸出、設(shè)備狀態(tài)的可視化等功能。在該網(wǎng)設(shè)置中可有兩種形式：MPI 或 OPI ，它們的區(qū)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(shè)置中應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

　　1、 MPI/OPI 的設(shè)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(wǎng)絡(luò)故障。

　　2、在 HMI 進(jìn)行初始化后，MMC 的設(shè)置恢復(fù)到默認(rèn)值，應(yīng)進(jìn)行檢查和修改，保證網(wǎng)絡(luò)地址不沖突，否則造成網(wǎng)絡(luò)故障。

　　3、PI / OPI 低層通訊協(xié)議遵循 RS485 協(xié)議，在硬件上使用雙絞線和 DP 接 頭，為了在網(wǎng)絡(luò)兩端接入終端電阻，應(yīng)從 DP 接頭的進(jìn)線端接入，否則造成網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或故障。

　　兩個(gè)總線是：驅(qū)動(dòng)總線和設(shè)備總線，驅(qū)動(dòng)總線通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn) NCU 與 611D 驅(qū)動(dòng)器位控板之間的信號(hào)傳遞。設(shè)備總線是驅(qū)動(dòng)電源模塊向 NCU、611D 位控板提供工作電源（+15V）和監(jiān)控功率部件溫度。在該項(xiàng)目中，采用了設(shè)備總線雙層安裝方高速加工中心數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用式，主要是考慮到設(shè)備總線的連接能力，此外，在電機(jī)、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(guān)鍵，下面想就此做詳細(xì)的分析。

　　（一）計(jì)算軸連續(xù)饋入功率：

　　通過下表可計(jì)算出各軸的輸出額定功率

　　根據(jù)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(kù) STK 這 2 個(gè)軸，B軸的進(jìn)給系數(shù)為 0.38，刀庫(kù)的進(jìn)給系數(shù)為 1；輸出額定功率在 8.8～27KW 的軸為 X1、X0、Y、Z 這 4個(gè)軸，它的進(jìn)給系數(shù)為 0.38；則所計(jì)算出來的進(jìn)給軸連續(xù)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(xù) 饋 入 功 率 ：P3 =1.25734 =42.5KW則總系統(tǒng)連續(xù)饋入功率 P4=P2+P3=68.55KW

　?。ǘ┯?jì)算軸峰值饋入功率

　　通過下表可計(jì)算出各軸的峰值功率

　　總系統(tǒng)連續(xù)饋入功率 P6=P5+P3=126KW

　　分析：通過以上計(jì)算，可以看出：電源模塊的選擇應(yīng)滿足：

　　連續(xù)饋入功率> 68.55KW （P4）

　　峰值饋入功率> 126KW （P6）

　　結(jié)果：選擇了電源模塊的連續(xù)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(jì)算，所選擇的電源在強(qiáng)電回路滿足使用要求，但還需進(jìn)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(tǒng)可靠地運(yùn)行。下面是電源供電能力的計(jì)算：

　　系統(tǒng)規(guī)定：T-EP 必須小于 8，T- AP 必須小于17，而以上計(jì)算結(jié)果均不滿足這一條件，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用一塊監(jiān)控模塊，來分擔(dān)系統(tǒng)對(duì)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(jiān)控模塊供電。如下表計(jì)算：

　　由電源模塊帶的軸配置計(jì)算：

　　由監(jiān)控模塊帶的軸配置計(jì)算：

　　通過以上措施，完全滿足系統(tǒng)要求，保證了系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　需要說明的是：在 Y 軸電機(jī)和驅(qū)動(dòng)的選型上，對(duì)其扭矩提升了一檔，電機(jī)最大扭矩為70NM，驅(qū)動(dòng)輸出最大電流為 112A，較好地解決了以往 Y軸響應(yīng)低的問題。

3 軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì):

　　軟件設(shè)計(jì)主要是指 840D 數(shù)控系統(tǒng)的 PLC 程序設(shè)計(jì)，在該項(xiàng)目中，對(duì)其中關(guān)鍵程序進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，主要是將主軸和進(jìn)給軸分別編寫相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊 FC，對(duì)西門子提供的手輪功能塊做適應(yīng)性的修改和擴(kuò)展，為該系統(tǒng)軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)作出努力。主要的做法是：圍繞軸使能、軸禁止、進(jìn)給倍率、位置環(huán)激活等內(nèi)容，用形參（符號(hào)）進(jìn)行編程，組織其正確的邏輯關(guān)系和時(shí)序，當(dāng)對(duì)軸編程時(shí)，只需調(diào)用此功能塊，并對(duì)相應(yīng)的形參賦值，以下為標(biāo)準(zhǔn)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(guān)　　A #FCHARD_P　　= DBX 12.1 // 正向硬超程開關(guān)　　A #FCHARD_M　　= DBX 12.0 // 負(fù)向硬超程開關(guān)　　以 上 #B65、#B663、#FC_REF、#FCHARD_P、#FCHARD_M均為符號(hào)，對(duì)它們進(jìn)行相應(yīng)的賦值，就可對(duì)各個(gè)軸進(jìn)行控制，大大簡(jiǎn)化了控制程序，該程序運(yùn)行良好。

此外，對(duì)移動(dòng)手輪的控制程序進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，它可應(yīng)用于所有該類型的手輪，對(duì)其它數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用也有借鑒意義，即移動(dòng)手輪的控制程序已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

　?。ㄒ唬┤]環(huán)位置環(huán)設(shè)置和補(bǔ)償

　　在該項(xiàng)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(bǔ)的四個(gè)軸實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)控制，通過摸索，形成一套簡(jiǎn)單而又行之有效的控制方法：

　　1、全閉環(huán)位置控制電氣設(shè)置

　　全閉環(huán)位置環(huán)設(shè)置與半閉環(huán)相似，主要是對(duì)軸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)置時(shí)需注意的是指明所激活的位置環(huán)是第二位置環(huán)，并正確輸入反饋類型及極性，設(shè)置完成后，不需要回零減速開關(guān)，可進(jìn)行正向或負(fù)向回零，對(duì)于采用了距離編碼的光柵尺，軸只需要移動(dòng)相鄰的兩個(gè)零脈沖以上的距離，系統(tǒng)便會(huì)找到零點(diǎn)。這種回零方式簡(jiǎn)單、靈活、可靠。

　　2、全閉環(huán)位置環(huán)補(bǔ)償

　　通過激光干涉儀的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)各軸（光柵尺）有“縮水”現(xiàn)象，大約為 0.01mm，為了提高設(shè)備精度，有必要對(duì)全閉環(huán)位置環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。由于采用的數(shù)控系統(tǒng)不同，補(bǔ)償方法也不同，以往我們只對(duì)FANUC、INDRAMART 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)償，對(duì)于西門子數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償還是第一次。具體方法為：

　　1> 由于補(bǔ)償參數(shù)的修改，可能造成 NC 系統(tǒng)內(nèi)存的從新分配，所以在進(jìn)行補(bǔ)償前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等備份；

　　2> 修改參數(shù) MD38000，設(shè)置補(bǔ)償點(diǎn)，將參數(shù)MD32700=0，允許寫入補(bǔ)償值；

　　3> 將 NC 中相應(yīng)軸的補(bǔ)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(bǔ)償數(shù)據(jù)逐個(gè)輸入；

　　6> 設(shè)備重新回零，并運(yùn)行該零件加工程序；

　　7> 將參數(shù) MD32700=1，使補(bǔ)償值有效；

　　8> 設(shè)備重新回零，補(bǔ)償完成。

　　通過補(bǔ)償，各軸的移動(dòng)精度都有所提高，為：小于 0.01mm。

　?。ǘ堥T軸的控制方法和應(yīng)用

　　為了提高 X 軸移動(dòng)速度，X 軸由 X1、X0 兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中一個(gè)是主動(dòng)軸，另一個(gè)是從動(dòng)軸，它們有各自的位置環(huán)（光柵尺）反饋，為了使它們能進(jìn)行龍門式的同步動(dòng)作，關(guān)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(gè)過程，在此進(jìn)行總結(jié)：

　　1、主動(dòng)軸回零：回零過程與非龍門軸一致，即：對(duì)主動(dòng)軸發(fā)出回零命令，主動(dòng)軸就按設(shè)置好的回零方式進(jìn)行回零，同時(shí)從動(dòng)軸與主動(dòng)軸同步運(yùn)動(dòng)；

　　2、一旦主動(dòng)軸回零完成，從動(dòng)軸自動(dòng)開始回零，同時(shí)，主動(dòng)軸與從軸同步運(yùn)動(dòng)；

　　3、當(dāng)主 / 從軸均完成回零后，它們需要進(jìn)行同步，如果此時(shí)主/從零點(diǎn)之間的距離值小于參數(shù)MD37110 中的數(shù)據(jù)，則同步自動(dòng)完成，否則需進(jìn)行下一步；

　　4、將主 / 從之間的差值輸入到主動(dòng)軸的參數(shù)MD34090 中，使參數(shù)激活；

　　5、重新回零，主 / 從動(dòng)軸重復(fù)上述 1～2 步，同步自動(dòng)進(jìn)行，則回零完成。

　?。ㄈ┑谌街鬏S的應(yīng)用

　　在本項(xiàng)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(yè)中高效率節(jié)拍生產(chǎn)設(shè)計(jì)，適用于銑削、鉆削和攻絲等加工。由于它是非西門子公司產(chǎn)品，則要保證電主軸的各項(xiàng)電氣參數(shù)與西門子驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)匹配，主要的電氣參數(shù)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(hào)等，下表是電主軸的電氣參數(shù)：

　　將以上電主軸參數(shù)和其它相關(guān)共 30 多個(gè)參數(shù)輸入到系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)中，進(jìn)行試運(yùn)行，將主軸速度由低逐漸向高調(diào)整，觀察驅(qū)動(dòng)器輸出的情況，調(diào)整主軸速度環(huán)增益，使驅(qū)動(dòng)輸出在一定范圍內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)，即可。

5 結(jié)束語

　　通過對(duì)高速加工中心的第二輪開發(fā)，更換了控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和調(diào)試中，解決了第一輪開發(fā)存在的 Y 軸響應(yīng)低等諸多問題，掌握了西門子840D中關(guān)于驅(qū)動(dòng)、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(xù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開發(fā)上提供了技術(shù)儲(chǔ)備。