西門子828D在西班牙FPU3000龍門加工中心改造中的應(yīng)用
胡國清
（武漢中控南方科技有限公司，武漢430070）
 
摘要：文章以1臺(tái)龍門加工中心的改造為例，敘述了SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)常用功能的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括系統(tǒng)配置與連接、模擬主軸、刀具管理、雙向絲杠螺距誤差補(bǔ)償?shù)取?br /> 關(guān)鍵詞： 828D 加工中心 刀具管理 模擬主軸 雙向螺距誤差補(bǔ)償
中圖分類號(hào)：TP29     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
 

Application in SIEMENS 828D

·         on gantry machining center type FPU3000 from Spain NC Alteration

HU Guoqing
（Wuhan ZoControl South Science & Technology Co., Ltd.，Wuhan 430070，CHN）
Abstract：This text is from an example of one gantry maching centre，normal function devolopment and application in SIEMENS SINUMERIK 828D on the congener machine are described. Such as system configuration & connection，analog spindel servo system，tool management，Direction-dependent leadscrew error compensation，etc..
Keywords：828D；Maching centre；Tool management；Analog spindel；Direction-dependent leadscrew error compensation.
 
SINUMERIK 828D數(shù)控系統(tǒng)是西門子公司近年推出的面向標(biāo)準(zhǔn)型車削、銑削和磨削機(jī)床的中端數(shù)控系統(tǒng)，其適用于立式/臥式加工中心、平面及內(nèi)外圓磨床等，以及帶有副主軸、動(dòng)力刀頭和 Y 軸的雙通道車床。
筆者以一臺(tái)由西班牙ZAYER公司生產(chǎn)的FPU3000龍門加工中心數(shù)控改造為例，闡述828D數(shù)控系統(tǒng)的主要功能應(yīng)用。
1. 機(jī)床結(jié)構(gòu)
FPU3000龍門加工中心的主機(jī)部分是一臺(tái)工作臺(tái)移動(dòng)的定梁龍門銑床，數(shù)控軸有工作臺(tái)前后移動(dòng)（X軸）、溜板水平移動(dòng)（Y軸）、滑枕垂直移動(dòng)（Z軸）、主軸（SP）和刀庫定位軸（Q軸），主軸功率42kW，主軸最高轉(zhuǎn)速1800rpm，龍門寬度2200mm，X軸行程3000mm，Y軸行程3000mm，Z軸行程1000mm，X、Y、Z軸均通過封閉式直線光柵尺作全閉環(huán)控制，主軸具有機(jī)械兩檔，通過直接位置編碼器實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。機(jī)床自帶側(cè)掛式鏈?zhǔn)降稁欤?0個(gè)刀位，帶有液壓控制的機(jī)械手用于換刀。
2. 系統(tǒng)配置
系統(tǒng)選用PPU260.3，最多支持6個(gè)數(shù)控軸和2個(gè)PLC軸，5MB用戶內(nèi)存，支持最多4軸插補(bǔ)功能，配置10.4”彩色TFT顯示器，帶有測量系統(tǒng)和絲杠螺距誤差雙向補(bǔ)償選項(xiàng)功能（6FC5800 -0AM54-0YB0），以便實(shí)現(xiàn)各進(jìn)給軸的雙向獨(dú)立的定位精度補(bǔ)償，提高機(jī)床的進(jìn)給定位精度，828D的雙向螺距誤差補(bǔ)償實(shí)際上是通過懸垂補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)的，只是補(bǔ)償?shù)脑摧S和目標(biāo)軸為同一軸。
各進(jìn)給軸均采用SINAMICS S120書本型模塊驅(qū)動(dòng)1FT7交流伺服電機(jī)，所有伺服電機(jī)自帶的DriveCLiQ接口編碼器均直接接入驅(qū)動(dòng)總線，配置帶饋電功能的S120電源模塊和AIM濾波接口模塊，可適應(yīng)供電電網(wǎng)電壓有一定波動(dòng)情況下的運(yùn)行。所有閉環(huán)測量裝置均通過SMC30模塊將原光柵尺或編碼器的TTL方波信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換接入到DriveCLiQ總線，因PPU、S120自帶的DriveCLiQ接口不夠用，另外增加一個(gè)DMC20集線器模塊。
系統(tǒng)配置兩塊PP72/48D-2A型I/O板，自帶的模擬量輸入通道用于連接安裝于機(jī)床導(dǎo)軌上的Pt100熱電阻溫度測量信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過程中的因?qū)к墱囟茸兓纫鸬臋C(jī)械部分伸長的溫度補(bǔ)償。配置手持單元，其相應(yīng)的I/O信號(hào)以及操作箱本體的按鈕/指示燈等I/O信號(hào)直接通過專用電纜連接至MCP483C的X51/ X52/X53/X54/X55端子，其地址直接納入MCP483C的接口信號(hào)，這樣可減少從操作箱至控制柜的線纜。
通過PPU自帶的模擬主軸功能，由X252端子輸出的模擬量給定電壓控制第三方變頻器驅(qū)動(dòng)原1PH6交流主軸電機(jī)，在變頻器的AI1輸入端并聯(lián)一個(gè)電容（0.22μF,50V）可以減少因干擾引起的電壓不穩(wěn)定,通過參數(shù)設(shè)置定義變頻器內(nèi)部輸出繼電器的含義及特性，將主軸零速、速度到達(dá)、故障等狀態(tài)信號(hào)鏈接至PLC的DI信號(hào)中，以便實(shí)現(xiàn)機(jī)床相應(yīng)的連鎖保護(hù)。
整個(gè)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)主要硬件配置連接如圖1所示，DriveCLiQ總線拓?fù)洳灰欢ㄒ凑請(qǐng)D中連接，只要符合其拓?fù)湟?guī)則連接，驅(qū)動(dòng)調(diào)試與分配軸時(shí)與實(shí)際連接相匹配即可。



圖1 FPU3000龍門加工中心數(shù)控系統(tǒng)配置圖
 
3. 功能實(shí)現(xiàn)
3.1  模擬主軸
828D系統(tǒng)面板自帶模擬主軸輸出信號(hào)，有雙極性電壓（±10V，對(duì)應(yīng)的MD30134=0）、單極性電壓（0～10V，對(duì)應(yīng)的MD30134=1），根據(jù)變頻器的特性選擇。變頻器的使能可由X252的第12腳（DIO14）來控制，也可以由PLC另行控制。需要注意的是，X252的1-2腳到變頻器的AI1的模擬量給定信號(hào)電纜需用屏蔽電纜，屏蔽層單端接地，以減少干擾。
模擬主軸的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下：
MD10000 AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[3]=SP
MD20070 AXCONF_MACHAX_USED[3]=4
MD20080 AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[3]=SP
MD30100 CTRLOUT_SEGMENT_NR[0,AX4]=0 ；模擬軸
MD30110 CTRLOUT_MODULE_NR[0,AX4]=4 ；給定值模塊號(hào)
MD30130 CTRLOUT_TYPE[0,AX4]=1 ；給定值輸出是否有效
MD30134 IS_UNIPOLAR_OUTPUT[0,AX4]=0 ；給定值為雙極性電壓
MD30200 NUM_ENCS[0,AX4]=1 ；表示有位置編碼器，若無則設(shè)為0
MD30230 ENC_INPUT_NR[0,AX4]=2 ；編碼器信號(hào)端口號(hào)
MD30240 ENC_TYPE[0,AX4]=1；表示編碼器類型為增量型，絕對(duì)值型則設(shè)為0
MD30300 $MA_IS_ROT_AX[AX4]=1 ；旋轉(zhuǎn)軸
MD30310 $MA_ROT_IS_MODULO[AX4]=1 ；旋轉(zhuǎn)軸為模態(tài)
MD30320 $MA_DISPLAY_IS_MODULO[AX4]=1 ；顯示為模態(tài)
MD31020 ENC_RESOL[0,AX4]=2000 ；編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)
MD31040 $MA_ENC_IS_DIRECT[0,AX4]=1 ；編碼器直接安裝在主軸上
MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[0,AX4]=10 ；I檔傳動(dòng)比分母
MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[1,AX4]=10 ；I檔傳動(dòng)比分母
MD31050 $MA_DRIVE_AX_RATIO_DENOM[2,AX4]=100 ；II檔傳動(dòng)比分母
MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[0,AX4]=55 ；I檔傳動(dòng)比分子
MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[1,AX4]=55 ；I檔傳動(dòng)比分子
MD31060 $MA_DRIVE_AX_RATIO_NUMERA[2,AX4]=105 ；II檔傳動(dòng)比分子
MD32250 $MA_RATED_OUTVAL[0,AX4]=100 ；額定輸出值100%
MD32260 $MA_RATED_VELO[0,AX4]=4200 ；10V輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速
MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX[AX4]=1 ；主軸分配
3.2  刀具管理
828D PPU260.3系統(tǒng)自帶刀具管理功能，支持一個(gè)物理刀庫，且具有完整的刀具壽命監(jiān)控功能（加工時(shí)間、工件計(jì)數(shù)），若物理刀庫數(shù)量大于1,則需增加選項(xiàng)功能。對(duì)于FPU3000龍門加工中心來說，其60刀位的鏈?zhǔn)降稁觳粠И?dú)立的裝卸刀庫，正好適合該系統(tǒng)基本配置的應(yīng)用。
刀庫配置：鏈?zhǔn)轿锢淼稁焯?hào)為1，刀庫緩沖區(qū)（包括機(jī)械手爪1、機(jī)械手爪2、主軸，共3個(gè)刀位）作為一個(gè)虛擬刀庫，其刀庫號(hào)為9998，裝刀點(diǎn)作為另一個(gè)虛擬刀庫，刀庫號(hào)為9999，該機(jī)床設(shè)置一個(gè)裝刀點(diǎn)。
刀庫初始化配置文件為toolbox光盤的examples\Tool_management目錄下的Mag_conf. mpf，對(duì)其中的基本定義部分修改如下：
N20 NUM_MAG=1   ；刀庫號(hào)
N30 MAG_TYPE=1   ；刀庫類型（1：鏈?zhǔn)降稁欤?：刀塔，5：矩陣式刀庫）
N40 LOCATIONS=60  ；刀位數(shù)量
N50 NUM_BUFFER=3  ；緩沖區(qū)刀位數(shù)量
N60 NUM_LOAD=1    ；裝刀點(diǎn)數(shù)量
N70 PLACE_SEARCH=12289；換刀策略（257：固定點(diǎn)換刀，12289：隨機(jī)換刀）
修改后將該文件拷貝到制造商循環(huán)目錄下，并復(fù)制其全部內(nèi)容至MDA窗口中執(zhí)行一次即可生效。
設(shè)置換刀子程序名稱：
MD10715 M_NO_FCT_CYCLE[0]=6 ；對(duì)應(yīng)M6
MD10716 M_NO_FCT_CYCLE_NAME[0]=TCHANGE ；表示M6調(diào)用TCHANGE.SPF
編制TCHANGE.SPF換刀程序，內(nèi)容如下：
PROC TCHANGE SAVE DISPLOF ；屏蔽運(yùn)行過程顯示信息
DEF INT WZ_SP,WZ_VOR      ；定義兩個(gè)整數(shù)變量
IF(NOT $P_SEARCH)         ；若不是段搜索
  WZ_SP=$TC_MPP6(9998,1)  ；讀取主軸上的刀具號(hào)
  GETSELT(WZ_VOR)         ；讀取編程刀具號(hào)
  IF(WZ_SP<>WZ_VOR)       ；若主軸上的刀具號(hào)與編程刀具號(hào)不同則換刀
    SPOSA[1]=0            ；主軸定位到0°
    GO G75 Z=0            ；定位到換刀點(diǎn)
    WAITS(1)              ；等待主軸定位完畢
  ENDIF
ELSE
ENDIF
M206                      ；換刀開始，觸發(fā)PLC換刀程序執(zhí)行
SETPIECE(1)               ；刀具監(jiān)控：工件計(jì)數(shù)減1
M17
編制換刀任務(wù)表是完成換刀PLC程序的關(guān)鍵，首先在PLC程序中添加3個(gè)系統(tǒng)DB塊：DB9900（常量傳遞表）、DB9901（變量傳遞表）、DB9902（響應(yīng)表），在表中定義刀具和刀庫所有可能的狀態(tài)。
對(duì)于裝刀、卸刀指令，刀具管理系統(tǒng)響應(yīng)DB塊為DB4100，DBX0.0代表有指令，DBX1.0表示裝刀，DBX1.1表示卸刀，DBX1.2表示刀具移位，DBX1.3表示刀庫定位，DBW6/8為新刀源地址的刀庫號(hào)和刀位號(hào)，DBW10/12為舊刀目標(biāo)地址的刀庫號(hào)和刀位號(hào)。
對(duì)于刀具準(zhǔn)備、換刀指令，刀具管理系統(tǒng)響應(yīng)DB塊為DB4300，DBX0.0代表有指令，DBX1.0表示固定點(diǎn)換刀，DBX1.1表示換刀M206，DBX1.2表示刀具準(zhǔn)備Tx，DBX1.3表示T0，DBX1.4表示無舊刀，DBX1.5表示手動(dòng)裝刀，DBX1.6表示手動(dòng)卸刀，DBW6/8為新刀源地址的刀庫號(hào)和刀位號(hào)，DBW18/20為舊刀目標(biāo)地址的刀庫號(hào)和刀位號(hào)。
換刀響應(yīng)有同步響應(yīng)和異步響應(yīng)，同步響應(yīng)是指有換刀指令時(shí)某個(gè)步驟完成時(shí)的響應(yīng)：1表示該換刀步驟全部完成，3表示換刀過程中斷，105表示中間的某個(gè)步驟完成但整個(gè)換刀指令未完成；異步響應(yīng)是可以隨時(shí)響應(yīng)的，不需要換刀指令，通常用于舊刀離開主軸后入庫的步驟，以使舊刀入庫不占用加工時(shí)間。換刀動(dòng)作通過PLC邏輯程序?qū)崿F(xiàn)，各步驟完成激活相應(yīng)的接口信號(hào)通知刀具管理系統(tǒng)。
3.3  雙向螺距誤差補(bǔ)償
828D標(biāo)準(zhǔn)配置中包含反向間隙補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償，雙向螺距誤差補(bǔ)償功能與懸垂補(bǔ)償?shù)膮?shù)設(shè)置與調(diào)試基本相同，對(duì)于機(jī)床軸的正向、反向運(yùn)行時(shí)的各自重復(fù)定位誤差較穩(wěn)定，但二者又相差較大時(shí)適合使用雙向螺距誤差補(bǔ)償，以獲得更好的數(shù)控定位精度。螺距誤差補(bǔ)償和懸垂補(bǔ)償均適用于直線軸和旋轉(zhuǎn)軸。
根據(jù)各軸行程設(shè)置合適的補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，X、Y軸行程3000mm，設(shè)置步距200mm，采集點(diǎn)數(shù)16個(gè)。Z軸行程1000mm，設(shè)置步距100mm，采集點(diǎn)數(shù)11個(gè)。有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[0]=16；補(bǔ)償表1用于X軸正向，點(diǎn)數(shù)16個(gè)
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[1]=16；補(bǔ)償表2用于X軸負(fù)向，點(diǎn)數(shù)16個(gè)
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[2]=16；補(bǔ)償表3用于Y軸正向，點(diǎn)數(shù)16個(gè)
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[3]=16；補(bǔ)償表4用于Y軸負(fù)向，點(diǎn)數(shù)16個(gè)
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[4]=11；補(bǔ)償表5用于Z軸正向，點(diǎn)數(shù)11個(gè)
MD18342 $MN_MM_CEC_MAX_POINTS[5]=11；補(bǔ)償表6用于Z軸負(fù)向，點(diǎn)數(shù)11個(gè)
SD41300 $CEC_TABLE_ENABLE[0～5]=1；激活第1～6個(gè)補(bǔ)償表
MD32710 $CEC_ENABLE[AX1～3]=1；該參數(shù)在補(bǔ)償表運(yùn)行完后設(shè)置
X軸正向補(bǔ)償表內(nèi)容如下：
$AN_CEC[0,0]=0         ；第1補(bǔ)償表第1點(diǎn)補(bǔ)償值為0mm
$AN_CEC[0,1]=0.006     ；第1補(bǔ)償表第2點(diǎn)補(bǔ)償值為0.01mm
$AN_CEC[0,2]=0.011     ；第1補(bǔ)償表第3點(diǎn)補(bǔ)償值為0.012mm
……
$AN_CEC[0,15]=0.023    ；第1補(bǔ)償表第16點(diǎn)補(bǔ)償值為0.023mm
$AN_CEC_INPUT_AXIS[0]=（AX1）   ；參照軸為X軸
$AN_CEC_OUTPUT_AXIS[0]=（AX1）  ；目標(biāo)軸為X軸
$AN_CEC_STEP[0]=200             ；步距為200mm
$AN_CEC_MIN[0]=0.0              ；參照軸起點(diǎn)值為0.0mm
$AN_CEC_MAX[0]=3000.0           ；參照軸終點(diǎn)值為3000.0mm
$AN_CEC_DIRECTION[0]=1  ；正向有效（1：正向，0：雙向，-1：負(fù)向）
$AN_CEC_MULT_BY_TABLE[0]=0
$AN_CEC_IS_MODULO[0]=0          ；參照軸為直線軸（1：旋轉(zhuǎn)軸）
M17
其它補(bǔ)償表類似，將激光干涉儀生成的絕對(duì)誤差值填入表中，激光檢測時(shí)應(yīng)設(shè)置的軸正向與機(jī)床軸正向一致，補(bǔ)償表完成后復(fù)制粘貼到MDA窗口中執(zhí)行一次，然后設(shè)置MD32710=1，軸重新返回參考點(diǎn)后補(bǔ)償生效，可在軸診斷中實(shí)時(shí)觀察到各點(diǎn)誤差補(bǔ)償值。
4. 結(jié)語
該加工中心的完整數(shù)控功能調(diào)試還有許多，如伺服優(yōu)化、安全連鎖保護(hù)程序、溫度補(bǔ)償?shù)龋?28D還有一些很實(shí)用的功能值得學(xué)習(xí)，如EasyScreen用戶自定義界面、遠(yuǎn)程診斷與維修Access Mymachine、機(jī)床狀態(tài)短信發(fā)送Easy Message等，限于篇幅在此不一一贅述。