840D五軸龍門加工中心刀具定向方向手輪幹預功能


本文將簡單描述五軸龍門加工中心的机械结构,以及机床的数控控制系统西门子 SINUMERIK 840D 的主要系统构成, 并从 NC 机床数据、NC 程序和 PLC 等方面详细阐述 6 轴功能的实现过程。

 

1  五轴龍門加工中心簡介及數控系統構成

 

1.1  五轴龍門加工中心簡介

五軸聯動數控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工複雜曲面的機床,這種機床系統對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等等行業有著舉足輕重的影響力。目前,五軸聯動數控機床系統是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等等加工的唯一手段。

裝備制造業是一國工業之基石,它爲新技術、新産品的開發和現代工業生産提供重要的手段,是不可或缺的戰略性産業。即使是發達工業化國家,也無不高度重視。隨著我國國民經濟迅速發展和國防建設的需要,對高檔的數控機床提出了迫切的大量需求。機床是一個國家制造業水平的象征。而代表機床制造業最高境界的是五軸聯動數控機床系統,從某種意義上說,它反映了一個國家的工業發展水平狀況。長期以來,以美國爲首的西方工業發達國家,一直把五軸聯動數控機床系統作爲重要的戰略物資,實行出口許可證制度。特別是冷戰時期,對中國、前蘇聯等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”:上世紀末,日本東芝公司賣給前蘇聯幾台五軸聯動的數控加工中心,結果讓前蘇聯用于制造潛艇的推進螺旋槳,上了幾個檔次,使美國間諜船的聲納監聽不到潛艇的聲音了,所以美國以東芝公司違反了戰略物資禁運政策,要懲處東芝公司。

该五轴龍門加工中心主要由几何轴X1、X2、Y、Z,旋转轴 C、A 以及主轴SP 等构成,主要用于汽车模具的加工,机床的外观见下图:

image.png

1.1  数控系统构成                                                            


数控系统采用西门子 SINUMERIK 840D+611D 驱动+1PH7+1FT6+1FK7 电机控制,能实现 5 轴控制和 5 坐标联动。

該系統功能強大,可開發性強,選擇該數控系統完全可以滿足本機床的控制要求。

SINUMERIK 810D/840D 是由数控及驱动单元(CCU 或NCU),PCU 及 OP0xx,PLC 的 I/O 模块三部分组成。

由于在集成系统时,总是将 SIMODRIVE 611D 驱动和数控单元(CCU 或 NCU)并排放在一起,并用设备总线互相连接,因此在说明时将二者划归一处。

PCU 及 OP0xx 包括:OP (Operation panel)单元,PCU 20/50/70,MCP(Machine Control Panel)三部分;PLC 的 I/O 模块包括:电源模块(PS),接口模块(IM)和输入/输出模块(SM)。它们并排安装在一根导轨上。

數控系統的主要部件描述如下:

NCU(Numerical Control Unit):NCU573.5,具备最大控制 10 通道、10 个方式组,最多可配置 31 轴的能力。

SINUMERIK 840D 的数控单元被称作 NCU(Numerical Control unit)单元。根据选用硬件如 CPU 芯片等和功能配置的不同, NCU 分为 NCU561.5 , NCU571.5 , NCU572.5

NCU573.5 等若干种。

同样地,NCU 单元中也集成 SINUMERIK 840D 数控 CPU 和 SIMATIC PLC CPU 芯片,包括相应的数控软件和 PLC 控制软件,并且带有 MPI 或 PROFIBUS 接口,RS232 接口,手轮及测量接口,PCMCIA 卡插槽等所不同的是 NCU 单元很薄,所有的驱动模块均排列在其右侧。

PCU50(PC UNIT):1.2GHZ/512M 内装 HMI 高级接口软件(中英文显示)。

显示器:12 寸 TFT 彩显OP012 一台。

机床控制面板:西门子专用自带 15 个用户自定义按键的19 寸机床控制面板(MCP)一个。 MCP(Machine ControlPanel)是专门为数控机床而配置的,它也是 MPI/OPI 上的一个节点,根据应用场合不同,其布局也不同。目前,有车床版 MCP 和加工中心版 MCP 两种。对 810D 和 840D,MCP 的MPI 地址分别为 14 和 6,用 MCP 后面的 S3 开关设定 。手持单元:西门子HHU 手持单元一套。(见下图)

image.png  

 

驱动器采用西门子SIMODRIVE 611D 交流驱动装置。

输入输出接口:采用 S7-300 系列 PLC 由 IM361 与 NCU

連接。

 

1 6 轴功能的实现

 

1.1  NC 参数

通用機床數據:

CHANDATA(1)

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_ TAB[0]= "X1" ;机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[1]="Y1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[2]="Z1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[3]="C1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[4]="A1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[5]="SP1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[6]="B1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[7]="V1";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[8]="SP2";机床轴名称

N10000      $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[9]="X2";机床轴名称

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[10]=

"U1";添加机床轴 U1 通道机床数据: CHANDATA(1)

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[0]= 1;分配几何轴到通道轴

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[1]=2;分配几何轴到通道轴

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[2]=3;分配几何轴到通道轴

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[0]="X";通道中的几何轴名称

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[1]="Y";通道中的几何轴名称

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[2]="Z";通道中的几何轴名称

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[0]=1;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[1]=2;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[2]=3;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[3]=4;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[4]=5;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[5]=6;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[6]=9;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[7]=10;通道轴对应的机床轴

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[8]=11;通道轴对应的机床轴 U1 

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[0]="XC";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[1]="YC";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[2]="ZC";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[3]="C" ;通道中通道轴名称

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[4]="A";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[5]="SP1";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[6]="SP2";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[7]="X2";通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[8]="U";通道中通道軸名稱

軸機床數據:

N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX11]=0;将 U1 轴设置成虚拟轴

N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX11]=0;将 U1 轴设置成虚拟轴

N32000 $MA_MAX_AX_VELO[AX11]=10000;U1 轴最大轴速度

N32010 $MA_JOG_VELO_RAPID[AX11]=10000;U1 轴点动快速速度

N32020 $MA_JOG_VELO[AX11]=2000;U1 轴点动速度在线式刀具长度补偿功能相关机床数据:

N19320 $ON_TECHNO_FUNCTION_MASK bit 29;功能选项

N20610 $MC_ADD_MOVE_ACCEL_RESERVE=0.3;叠加运动的加速潜力

N21190 $MC_TOFF_MODE='H0';系统变量 $AA_TOFF[]的内容可作为绝对值取得或者相加

N21194 $MC_TOFF_VELO[0]=2000;在线式刀具长度补偿的速度

N21194 $MC_TOFF_VELO[1]=2000;在线式刀具长度补偿的速度

N21194 $MC_TOFF_VELO[2]=2000;在线式刀具长度补偿的速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[0]=1;在线式刀具长度补偿的加速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[1]=1;在线式刀具长度补偿的加速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[2]=1;在线式刀具长度补偿的加速度

1.2  NC 程序

N100 TRAORI;激活第一个已编程的方向转换

N200 T1

N300 G0X0Y0Z0C0A0

N400 TOFFON(Z);开通在线式刀具长度补偿功能

N500 ID=2 WHENEVER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U];同步指令,U 轴手轮偏置赋给在线式刀具长度补偿

N600 TT

N700 G1G90X5Y5F100 

N800 A20 C10

N900 GOTOB TT

N950 TOFFOF(Z);关闭在线式刀具长度补偿功能

TRAORI 五轴转换指令,编程具有多种优点。特别是: 程序独立于刀具长度和机床运动;进给率与刀具中心点相关, 并自动进行补偿运动,以补偿旋转轴运动。

TRAORI 激活第一个已编程的方向转换;

TRAFOOF 断开转换;

TRAORI(n) 激活用n 编程的方向转换;


 

N  转换号码(n=1 或 2),TRAORI(1)对应于 TRAORI;

SINUMERIK840D 支持在实践应用中用来编程刀具方向的各种类型。必须激活方向转换 TRAORI。一般建议使用方向矢量来编程刀具方向。

 

image.png

 

圖3

实际项目中,将 TRAORI、TOFFON(Z)、D=2 WHENE-VER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]以及 TOFFOF(Z)指令添加到用户 NC 中的相应位置即可。

1.3  PLC 程序

CALL FC 1200 //6-axis,DRF;在 OB1 最后面调用 FC1200 SET

=DB41.DBX 2.1 //激活U 轴控制器使能

=DB41.DBX 21.7 //激活U 轴脉冲使能

=DB41.DBX 1.5 //激活U 轴测量系统 1

=DB41.DBX 1.7 //激活U 轴倍率

A I 7.0 //MCP 自定义键T8

AN Q 5.0 //MCP 自定义键T8 指示灯

FP M 150.0

S M 150.1

A   I    7.0 //MCP 自定义键T8

A Q  5.0 //MCP 自定义键T8 指示灯

FN M   150.2

R    M   150.1

AN I  7.0 //MCP 自定义键T8 A M 150.1

= Q 5.0 //MCP 自定义键T8 指示灯,以选择 6 轴功能选择

A Q 5.0//6 轴功能选择

A DB83.DBX 5.6 //HHU 被选择

AN DB31.DBX 64.0 //轴 1 手轮功能被激活

AN DB32.DBX 64.0 //轴 2 手轮功能被激活

AN DB33.DBX 64.0 //轴 3 手轮功能被激活

AN DB34.DBX 64.0 //轴 4 手轮功能被激活

AN DB35.DBX 64.0 //轴 1 手轮功能被激活

=DB41.DBX 4.0 //虚轴 U1 手轮功能选择

1.4  6 轴功能操作说明

(1)  将相关指令 TRAORI、TOFFON(Z)、D=2 WHENE-VER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]以及 TOFFOF(Z)等添加到 NC 程序中,并运行 。

(2)  通过 HMI 选择 DRF 功能

DRF 功能 (Differential Resolve Function),一般是用在 MDA 和 AUTO 下,在 MDA 和 AUTO 下进行轴移动干预,也就是走程序的时候,可以用手轮对当前未运动的轴进行移动, 又称手轮偏置。接口信号 DB21.DBX0.3 激活,然后选择手轮、干预轴,INC,手轮对相应的轴即可在自动方式下进行干预了。

DRF 值:$AC_DRF[axis];DRF 取消:DRFOF ;另外,DRF 偏置在机床坐标系下显示,在工件坐标下不显示 。

(3)  通过 MCP-T8 用户自定义键 (自定义最中间那个键),激活或取消 6 轴功能 。

 

2  系统软件升级

以上工作完成后会发现一个问题,6 轴的移动速度被限制到 200mm/min 左右的一个很低的速度,这样的手轮干预速度对用户加工工件来说毫无意义。

我们使用现有的 840D 不同系统版本做了相同的实验,发现是一样的情况,6 轴的移动都被限制在很低的速度,而SINUMERIK 840D 的升级版本SINUMERIK 840D solution line 并未有此限制,可以很容易达到 N21194 $MC_TOFF_VELO 参数中设定的速度。

为此我们求助了德国西门子热线,德国西门子热线也很快给了反馈,建议我们修改参数 N21198 $MC_ORI_TRAFO_ONLINE_CHECK_LIM。但是新的问题又来了,在该机床的数控系统 SINUMERIK 840D 系统软件版本 Version data NCU07.04.30 中根本找不到参数 N21198。热线继续反馈需要将SINUMERIK 840D 的系统软件版本升级到 840D 的最高版本Version data NCU 07.04.40,并修改下面参数:N21198 $MC_ORI_TRAFO_ONLINE_CHECK_LIM 在线式刀具长度补偿的速度限制。

由于具备五轴功能的数控系统受到国外供应商(包括FANUC、西门子及 FIDIA 等 )的出口限制,在购买新的系统软件的过程中又经历了一些波折,但是最终在意大利 JOBS 的努力下历时半年终于拿到所需的系统软件版本。

系统软件升级并修改完参数N21198 后,该功能得以最终调试完成。

 

3  结论

6 轴功能在调试过程中虽然遇到了很多很多的困难,但是在各方的积极配合下最终成功实现了该功能。根据用户反馈,6 轴功能调试完成后,该设备运行稳定可靠,也最终得到成功验收。


 

 

 

 


標簽: 車銑複合  
分類: 五軸加工中心  
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