項目簡介
神龍汽車有限公司為國內三大轎車生產基地之一，其生產線及檢測線設備主要從歐洲進口，自動化程度非常高，各類SIMATIC自動化產品和軟件得到大量使用。公司95年從法國FOREST-LINE公司引進的一臺龍門式3＋2軸數控仿形銑加工中心，用作汽車模具型面的加工及修改工作。因機床的 NUM760F數控系統(tǒng)嚴重老化，導致機床故障率高，模具加工精度差；同時由于數控系統(tǒng)內部功能的缺乏，導致某些特殊型面的模具加工無法完成，滿足不了新車型模具加工的需求。為此在2005年沖壓工廠對該機床的數控系統(tǒng)進行了改型，經過系統(tǒng)選型和方案比較，筆者選用了SINUMERIK系列產品：840D 數控系統(tǒng)和611D伺服驅動，并配以1PH7/1FT6/1FK6系列電機。本文將對SINUMERIK 840數控系統(tǒng)在數控仿形銑床系統(tǒng)改造方面的應用作一些闡述和介紹。
數控仿形銑原數控系統(tǒng)介紹
機床整體描述
FOREST-LINE 3＋2軸數控仿形銑床為龍門式加工中心（見圖1），工作臺臺面2m×4m，載重30t，X軸行程4500mm，Y軸行程 3000mm，Z軸行程1200mm，W橫梁軸行程640mm。數控仿形銑加工中心配有刀具庫和附件庫，刀具庫為旋轉盤式，可容納30把刀具；附件庫有3 個附件頭，它們分別為：RM40多功能銑頭、AL40加長銑頭、護板銑頭。
圖1 數控銑加工中心工藝布置圖
數控仿形銑加工中心有1個主軸；7個數控軸：X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸、刀庫軸、附件軸；一個PLC軸：W橫梁軸。其中X/Y/Z三軸可插補聯動，若使用RM40多功能銑頭則增加A軸和C軸，C軸由主軸電機驅動，且A軸和C軸均由鼠牙盤定位；W軸為橫梁軸，不屬于數控軸，由受控于數控系統(tǒng)PLC的一臺 LS變頻器驅動，只有上下兩個極限位置，屬PLC軸。由以上描述知3＋2軸數控仿形銑加工中心實際上指插補聯動的X/Y/Z三軸加上能實現斜面加工的A /C兩軸。X、Y、Z三軸的位置反饋采用HEIDENHAIN LB326光柵尺，經EXE進行信號轉接后聯入NUM760F。W軸橫梁軸由 LEROY SOMER變頻器進行高低兩位置的調節(jié)控制。
機床數控系統(tǒng)改造前配置簡述SINUMERIK 840D數控系統(tǒng)在數控銑上的組態(tài)描述
840D系統(tǒng)改造主要配置列表，如表1所示。
機床數控系統(tǒng)改造后的配置簡述
NCU 數控單元
數字控制核心NCK的硬件裝置。NCU單元集成了SINUMERIK 840D CNC CPU 和S7-300 PLC CPU 芯片，包括數控軟件和PLC軟件。數控銑系統(tǒng)選型為NCU573.5；
人機交互裝置
數控銑加工中心選用PCU50，其人機操作界面選用OP010及MCP，兩者建立起SINUMERIK 840D系統(tǒng)與機床操作人員之間的交互界面。同時配備HHU手持單元。
可編程序控制器PLC
SINUMERIK 840D系統(tǒng)集成了S7-300-2DP 的PLC，并通過通訊模塊IM361擴展外部的I/O 模塊。數控銑系統(tǒng)選型為S7-317-2DP。
驅動裝置
數控銑系統(tǒng)伺服驅動選型為SIMOD RIVE 611D，配以1FT6/1FK6系列進給電機和1PH7系列主軸電機。數控銑數控系統(tǒng)安裝布置示意圖如下如圖2所示：
圖2 數控銑數控系統(tǒng)安裝布置示意圖
數控銑數控系統(tǒng)配置概述
外掛系統(tǒng)的組成
X、Y、Z三軸的位置反饋仍采用HEIDENHAIN LB326光柵尺，經SIEMENS SUV進行信號轉接后聯入840D系統(tǒng)。W軸橫梁軸仍采用受控于840D系統(tǒng)PLC的LEROY SOMER變頻器進行高低兩位置的調節(jié)控制。CAD/CAM三維圖形編程仍采用CIMATRON E，但其后置處理程序是針對840D系統(tǒng)重新編制的。測量系統(tǒng)仍采用RENISHAW測頭，但改用無線接收的找正系統(tǒng)。圖3示出系統(tǒng)配置圖。
圖3 數控銑840D數控系統(tǒng)配置示意圖
SINUMERIK 840D系統(tǒng)在數控仿形銑改造中自動換刀程序的編制
在采用SINUMERIK 840D改造數控銑數控系統(tǒng)的工作中，自動換刀程序的編制為一個難點。在機床加工過程中，依據零件加工程序中對刀具的要求對刀庫中30把刀具中的目標刀具進行準確地選擇換刀、自動補償、自動連續(xù)加工；有時候需先退刀，然后更換合適所選刀具的附件頭，最后再掛刀加工; 有時候則需根據所要更換刀具或附件的長度要求自動調整橫梁W軸的高低位，這就是自動換刀程序要實現的功能，特別是后兩種情形較為復雜，對于換刀、換附件、橫梁換位后進行連續(xù)加工時各軸定位的精度要求非常高，故程序編制較為復雜。
宏程序的編制
數控銑系統(tǒng)改造中自動換刀程序主要是通過編寫宏程序，聯系相關機器參數、接口信號及PLC程序來實現的。
與自動換刀程序有關的宏程序列表如下：
CONTROL1/ CONTROL2 （保護蓋板拾起/卸下控制程序）
CONTROL3/ CONTROL4 （AL40拾起/卸下控制程序）
CONTROL5/ CONTROL6 （RM40拾起/卸下控制程序）
CONTROL7（主軸刀具返回刀庫控制程序）
CONTROL8/ CONTROL9 （系統(tǒng)取刀/刀具返回控制程序）
CONTROL10（刀具自動交換程序）
CONTROL11/ CONTROL12 / CONTROL13 （保護蓋板/ AL40/ RM40自動交換控制程序）
CONTROL14/ CONTROL15 （A軸夾緊/松開控制程序）
CONTROL16/ CONTROL17 （C軸夾緊/松開控制程序）
CONTROL18－CONTROL21 （C軸旋轉0/90/180/270控制程序）
CONTROL22/ CONTROL23 （橫梁上升/下降控制程序）
CONTROL35/ CONTROL36 （X,Y,Z軸/U,V軸回零控制程序）
上述與自動換刀有關的宏程序有部分被定義為M功能由零件加工程序直接編程時使用，有些則由宏程序在其內部調用，如CONTROL1－CONTROL9。
R參數在編程中的應用
在Control10自動換刀宏程序中，涉及到許多變量計算，主要包括換刀前各軸位置記憶、橫梁高低位記憶、附件頭類型記憶、刀具數據記憶等，這些數據在更換刀具、更換附件、橫梁移動完畢后經重新計算后才能保障連續(xù)加工作業(yè)的進行。在宏程序中使用R參數編程可以簡化變量計算，故宏程序中的R參數主要是在刀具交換、附件頭交換及橫梁位置控制時記憶和處理各軸的運行狀態(tài)、標志位和位置值。涉及使用的R參數定義如下：
R900/ R903/ R906 工作區(qū)附件為保護蓋板/ RL40/ RM40時，換刀時刻Y軸位置
R901/ R904/ R907 工作區(qū)附件為保護蓋板/ RL40/ RM40時，換刀時刻Z軸位置
R902/ R905/ R908 工作區(qū)附件為保護蓋板/ RL40/ RM40時，換刀時刻主軸位置
R910/ R911/ R912 換附件時,Y軸/Z軸/主軸位置
R913 橫梁高位到低位距離
R916 換刀時減速距離
R917 換刀時刀具提升距離
R918/ R919 換附件時Z軸下降/上升減速距離
R940/ R941 A軸/C軸位置
接口信號的使用
840D系統(tǒng)的接口信號是非常繁雜的，正確合理使用接口信號進行編程是設備穩(wěn)定工作的前提，下面只針對數控銑自動換刀編程中的接口信號進行簡介。
M功能定義
與自動換刀有關的宏程序有部分被定義為M功能，M功能在零件加工程序中可以直接編程使用。連接M功能的接口信號為通道信號，因只使用了通道1，故M功能由DB21數據塊DBB194開始的后續(xù)字節(jié)解碼。涉及數控銑自動換刀的M功能對應的接口信號及定義如下：
DEFINE M6 AS CONTROL10 （ DB21.DBX194.6 ）
DEFINE M31 AS CONTROL11 （ DB21.DBX197.7 ）
DEFINE M32 AS CONTROL12 （ DB21.DBX198.0 ）
DEFINE M33 AS CONTROL13 （ DB21.DBX198.1 ）
DEFINE M35 AS CONTROL35 （ DB21.DBX198.3 ）
DEFINE M36 AS CONTROL36 （ DB21.DBX198.4 ）
DEFINE M10 AS CONTROL14 （ DB21.DBX195.2 ）
DEFINE M11 AS CONTROL15 （ DB21.DBX195.3 ）
DEFINE M20 AS CONTROL16 （ DB21.DBX196.4 ）
DEFINE M21 AS CONTROL17 （ DB21.DBX196.5 ）
DEFINE M125 AS CONTROL22 （ DB21.DBX194.6 ）
DEFINE M126 AS CONTROL23 （ DB21.DBX194.6 ）
DEFINE M173 AS CONTROL18 （ DB21.DBX194.6 ）
DEFINE M174 AS CONTROL19 （ DB21.DBX194.6 ）
DEFINE M175 AS CONTROL20 （ DB21.DBX194.6 ）
DEFINE M176 AS CONTROL21 （ DB21.DBX194.6 ）
宏變量定義
宏程序中的R參數主要是在刀具交換、附件頭交換及橫梁位置控制時記憶和處理各軸位置值，而機床動作的標志位有很大一部分是由宏變量來處理的，與自動換刀程序有關的宏變量定義如下:
$A_IN[10] ==1 （ DB10.DBX123.1 ） 主軸頭松刀
$A_IN[12] ==1 （ DB10.DBX123.3 ） 主軸頭握刀
$A_IN[13] ==1 （ DB10.DBX123.4 ） 橫梁低位
$A_IN[14] ==1 （ DB10.DBX123.5 ） 橫梁高位
$A_IN[15] ==1 （ DB10.DBX123.6 ） 刀庫門開
$A_IN[16] ==1 （ DB10.DBX123.7 ） 主軸握刀刀具號
$A_IN[17] ==1 （ DB10.DBX125.0 ） 蓋板在位
$A_IN[18] ==1 （ DB10.DBX125.1 ） AL40在位
$A_IN[19] ==1 （ DB10.DBX125.2 ） RM40在位
$A_IN[20] ==1 （ DB10.DBX125.3 ） 附件庫門開
$A_IN[21] ==1 （ DB10.DBX125.4 ） 附件庫空
$A_IN[22] ==1 （ DB10.DBX125.5 ） 中心松頭
$A_IN[23] ==1 （ DB10.DBX125.6 ） 外圈松頭
$A_IN[24] ==1 （ DB10.DBX125.7 ） 主軸還刀
$A_IN[36] ==1 （ DB10.DBX129.3 ） 附件頭為蓋板
$A_IN[37] ==1 （ DB10.DBX129.4 ） 附件頭為AL40
$A_IN[38] ==1 （ DB10.DBX129.5 ） 附件頭為RM40
$A_IN[39] ==1 （ DB10.DBX129.6 ） 主軸帶附件頭
信息報警接口信號簡述
數控機床故障報警信息在機床維修時可提供技術參考，指明維修方向，所以編制完整準確的故障報警信息尤為重要。在數控銑系統(tǒng)改造過程中，除系統(tǒng)所具有的故障報警信息外，我們還編制了大量的用戶報警信息。
數控銑用戶報警信息主要分為兩部分：
以65000開始的故障信息主要在宏程序中編制，出故障時需調看相應宏程序內宏變量的狀態(tài)，宏變量對應的接口信號如上節(jié)所述。涉及自動換刀的該類故障報警有10條。
以700000開始的故障信息主要在PLC程序中編制，其對應的接口信號區(qū)域為DB2.DBB180——DB2.DBB379。涉及自動換刀的該類故障報警有32條。
STEP 7程序結構簡述
SINUMERIK 840D系統(tǒng)集成了S7-300-2DP 的PLC，并通過通訊模塊IM361擴展外部的I/O 模塊。PLC程序采用STEP 7 編程。因數控銑自動換刀程序主要是采用宏程序編制的，故在此只對STEP 7程序中用戶編制的功能塊及數據塊的定義作一個簡述：
FC32 系統(tǒng)初始化
FC33 X/Y/Z進給軸
FC34/ FC35 A軸/主軸
FC36/ FC37 刀庫U軸
FC38 附件庫V軸
FC39 PLC-NCK接口信號
FC40 機床液壓、潤滑系統(tǒng)
FC41/ FC42 橫梁W軸
FC45/ FC46 C軸
FC68 HHU手持單元
FC70 報警處理
FC71/FC73 用戶故障報警
FC72/FC74 用戶信息報警
DB2 PLC信息
DB10 NCK接口
DB11 工作方式組接口
DB21 NC通道接口
DB31/DB32/DB33 X軸/Y軸/Z軸
DB34/DB37 C軸/A軸
DB35/DB36 U軸/V軸
機床數據
840D數控系統(tǒng)機床數據是非常繁雜的，正確合理地配置機床數據是設備穩(wěn)定工作的前提，配置調試機床數據需要豐富的現場經驗和技巧，在這里就不對數控銑的機床參數一一描述了，只針對SINUMERIK 840D系統(tǒng)機床數據的區(qū)域分類進行簡介。
840D系統(tǒng)機床數據可分為如下幾個區(qū)域：
1000-1799 驅動機床數據
9000-9999 顯示機床數據
10000-18999 通用機床數據
20000-28999 通道機床數據
30000-38999 軸機床數據
41000-41999 通用設定數據
42000-42999 通道設定數據
43000-43999 軸設定數據
SIEMENS產品的應用體會
神龍汽車公司屬歐資公司，設備多由歐洲進口，故設備的自動化系統(tǒng)多為歐洲產品，且以大型機和總線產品居多，其中SIEMENS的SIMATIC自動化產品和SINUMERIK數控產品在設備中得到大量使用。在自動化生產線上，我們廣泛使用SIMATIC自動化產品：S7-400 PLC（H級和F級），各類I/O模塊、功能模塊及網絡產品、各種類型的OP/MP人機操作面板、WINCC工控機、MICROMASTER變頻器等產品，一些特殊設備如ABB機器人、INTRAMAT-CLM/CLC運動控制器等系統(tǒng)均配有PROFIBUS通信板以聯入SIMATIC系統(tǒng)；在沖壓模具加工、發(fā)動機及變速箱制造等機加工設備上我們廣泛使用SINUMERIK數控產品，且多為高端的840D系統(tǒng)。
通過SIEMENS家族中這兩大類產品的使用，我們體會到：SIMATIC自動化產品和SINUMERIK數控產品雖屬不同類別的產品，但兩者間聯系十分緊密，以840D系統(tǒng)為例：SINUMERIK 840D的PLC實際上是SIMATIC的S7－300集成在NCU內部；NCU與系統(tǒng)其它部件的聯系也是通過SIMATIC產品的標準通信協議PROFIBUS-DP及MPI來完成的；通過PROFIBUS擴展的I/O模塊及功能模塊也是SIMATIC的標準產品；STEP 7是SIMATIC S7-300/400的編程工具，也是SINUMERIK 840D PLC的編程工具，其硬件配置、網絡組態(tài)、程序編制均一樣；PROTOOL可以為SIMATIC的OP/MP人機面板編制圖形，也可為SINUMERIK 840D的HMI開發(fā)圖形界面……，凡是熟練使用過SIMATIC軟件的工程師都能夠很快地學習掌握SINUMERIK的產品選型、網絡組態(tài)、設計編程等技巧。
接觸和學習SIEMENS自動化產品已有十余年了，從早期的S5 PLC到現在的各類SIEMENS產品，從軋鋼設備到汽車生產設備，熟悉和掌握自動化產品及數控產品的編程設計是鋼鐵聯合企業(yè)及汽車生產廠家設備工程師所必需的，SIEMENS全系列產品為此提供了一個很好的平臺，所以我對SIEMENS倡導的“全集成自動化”理念又多了一層理解：“全集成”不僅是項目的集成，也是產品的集成 ，就向汽車廠家的“平臺理論”一樣，它們將是一個公司、一個行業(yè)未來產品發(fā)展的風向標。
結語
數控銑加工中心數控系統(tǒng)改造工作于2005年8月正式完工并交付使用，并擔負著繁重的新車型模具加工工作，無論是從系統(tǒng)穩(wěn)定性，還是從系統(tǒng)功能上看，840D數控系統(tǒng)與FOREST-LINE機床融為一體，表現出卓越的品質。鑒于SINUMERIK 840D在數控仿形銑加工中心系統(tǒng)改造上成功的應用，我們在工廠二期能力擴建項目的新設備選型及舊設備改造方面均把SIEMENS產品列為首選，我們的理念是：用世界一流的設備制造中國一流的轎車。