高速加工中心数控系统开发和应用

1 技术背景

　　高速加工技术是世界范围内倍受关注的前沿技术，它将极大的促进加工的效率和产品品质。我厂针对这一潜在的市场需求，在近两年对高速加工中心进行了两轮开发设计和试制，在第一轮的开发设计中，电气控制系统采用的是德国INDRAMART 数控系统，该系统的硬件平台是基于工业 PC 主板，NC 和 PLC 以板卡的形式插在工控机扩展槽内，该系统的特点是：用户开放性好，软件工具专业性强，系统功能集成度高，但随之也出现了应用上的局限：系统运行依赖于硬盘，一旦硬盘损坏，系统需恢复才能运行；控制软件和零件加工程序的编制通用性不强；伺服电机特性曲线较软，这在一定程度上抑制了数控轴高速性能的提升或增加了电机体积和相应的费用。在高速加工中心第二轮开发设计中，通过对SIEMENS 840D 的系统性能分析与比较，认为SIEMENS 840D 数控系统能克服以上应用的局限，性价比高，并且在市场上份额大，用户群体中有相当的口碑，应用该系统，将会提高我厂高速加工中心的市场竞争力。

　　高速加工中心第二轮开发试制已完成阶段性工作，在这里将从硬件配置、软件标准化编程、关键技术应用开发等几个方面着重描述系统配置、光栅尺全闭环应用、龙门式同步轴调整、和第三方主轴调整等关键技术，为我厂后期电气控制技术的提升提供参考和经验。

2 硬件配置要点

　　该高速加工中心的 840D 数控系统硬件配置如下图 1 所示：大体上可归结为一层网、两个总线。

 
图 1 高速加工中心 840D数控系统硬件配置

　　一层网是：MPI / OPI 网：它将 840D控制核心NCU、人机界面 HMI- PCU50、机床操作面板 MCP连接在一起，使操作者可通过 HMI 或 MCP 来访问控制器 NCU，实现系统参数、程序等数据的调整输入和输出、设备状态的可视化等功能。在该网设置中可有两种形式：MPI 或 OPI ，它们的区别在于传输速率不同：

　　MPI 的速率为 187.5Kbit/S，OPI 的速率为 1.5Mbit/s 一般情况下选择后者。在设置中应注意以下三点：

　　1、 MPI/OPI 的设置在 PLC 控制程序 （即：NCU中）、HMI 上、MCP 三者要保持一致，否则造成网络故障。

　　2、在 HMI 进行初始化后，MMC 的设置恢复到默认值，应进行检查和修改，保证网络地址不冲突，否则造成网络故障。

　　3、PI / OPI 低层通讯协议遵循 RS485 协议，在硬件上使用双绞线和 DP 接 头，为了在网络两端接入终端电阻，应从 DP 接头的进线端接入，否则造成网络不稳定或故障。

　　两个总线是：驱动总线和设备总线，驱动总线通过串联实现 NCU 与 611D 驱动器位控板之间的信号传递。设备总线是驱动电源模块向 NCU、611D 位控板提供工作电源（+15V）和监控功率部件温度。在该项目中，采用了设备总线双层安装方高速加工中心数控系统开发和应用式，主要是考虑到设备总线的连接能力，此外，在电机、功率部件确定的情况下，如何选择电源模块，是决定高速加工中心电气控制的关键，下面想就此做详细的分析。
 

　　（一）计算轴连续馈入功率：

　　通过下表可计算出各轴的输出额定功率

　　根据电源模块工作特性，输出额定功率在1.8～8.8KW 的轴为 B 轴和刀库 STK 这 2 个轴，B轴的进给系数为 0.38，刀库的进给系数为 1；输出额定功率在 8.8～27KW 的轴为 X1、X0、Y、Z 这 4个轴，它的进给系数为 0.38；则所计算出来的进给轴连续馈入功率：

　　P2 =（3.570.38 +4.8 * 1 +（10.5 +10.5 +14.7 +10.5）70.38）71.1=26.05KW

　　而 主 轴 的 连 续 馈 入 功 率 ：P3 =1.25734 =42.5KW则总系统连续馈入功率 P4=P2+P3=68.55KW

　　（二）计算轴峰值馈入功率

　　通过下表可计算出各轴的峰值功率

　　总系统连续馈入功率 P6=P5+P3=126KW

　　分析：通过以上计算，可以看出：电源模块的选择应满足：

　　连续馈入功率> 68.55KW （P4）

　　峰值馈入功率> 126KW （P6）

　　结果：选择了电源模块的连续馈入功率为80KW，峰值馈入功率为 131KW，满足以上使用要求。

　　（三）检查允许的电子和功率供电能力

　　虽然通过以上计算，所选择的电源在强电回路满足使用要求，但还需进行其电子回路和功率部件回路供电能力的检查，如果能力不够，必须采取措施，保证系统可靠地运行。下面是电源供电能力的计算：

　　系统规定：T-EP 必须小于 8，T- AP 必须小于17，而以上计算结果均不满足这一条件，在该系统设计时，采用一块监控模块，来分担系统对电子回路和功率部件回路电源管理的压力。具体做法是电源模块在电子线路上只带主轴和 Y 轴，其余的轴由监控模块供电。如下表计算：

　　由电源模块带的轴配置计算：

　　由监控模块带的轴配置计算：

　　通过以上措施，完全满足系统要求，保证了系统可靠、稳定地运行。

　　需要说明的是：在 Y 轴电机和驱动的选型上，对其扭矩提升了一档，电机最大扭矩为70NM，驱动输出最大电流为 112A，较好地解决了以往 Y轴响应低的问题。

3 软件标准化设计:

　　软件设计主要是指 840D 数控系统的 PLC 程序设计，在该项目中，对其中关键程序进行了标准化设计，主要是将主轴和进给轴分别编写相应的标准功能块 FC，对西门子提供的手轮功能块做适应性的修改和扩展，为该系统软件标准化设计作出努力。主要的做法是：围绕轴使能、轴禁止、进给倍率、位置环激活等内容，用形参（符号）进行编程，组织其正确的逻辑关系和时序，当对轴编程时，只需调用此功能块，并对相应的形参赋值，以下为标准功能块的一部分：

　　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 // 脉冲使能
　　A #FC_REF
　　= DBX 12.7 // 回零减速开关
　　A #FCHARD_P
　　= DBX 12.1 // 正向硬超程开关
　　A #FCHARD_M
　　= DBX 12.0 // 负向硬超程开关
　　以 上 #B65、#B663、#FC_REF、#FCHARD_P、#FCHARD_M均为符号，对它们进行相应的赋值，就可对各个轴进行控制，大大简化了控制程序，该程序运行良好。

此外，对移动手轮的控制程序进行优化和扩展，它可应用于所有该类型的手轮，对其它数控系统的应用也有借鉴意义，即移动手轮的控制程序已实现了标准化。
 

4 现场调试中关键技术的开发与应用

　　（一）全闭环位置环设置和补偿

　　在该项目中 X1、X0、Y、Z 轴配置了距离编码光栅尺，B 轴配置了角度编码器，即参与插补的四个轴实现了全闭环控制，通过摸索，形成一套简单而又行之有效的控制方法：

　　1、全闭环位置控制电气设置

　　全闭环位置环设置与半闭环相似，主要是对轴参数进行设置，在设置时需注意的是指明所激活的位置环是第二位置环，并正确输入反馈类型及极性，设置完成后，不需要回零减速开关，可进行正向或负向回零，对于采用了距离编码的光栅尺，轴只需要移动相邻的两个零脉冲以上的距离，系统便会找到零点。这种回零方式简单、灵活、可靠。

　　2、全闭环位置环补偿

　　通过激光干涉仪的测量，发现各轴（光栅尺）有“缩水”现象，大约为 0.01mm，为了提高设备精度，有必要对全闭环位置环进行补偿。由于采用的数控系统不同，补偿方法也不同，以往我们只对FANUC、INDRAMART 数控系统进行了补偿，对于西门子数控系统的补偿还是第一次。具体方法为：

　　1> 由于补偿参数的修改，可能造成 NC 系统内存的从新分配，所以在进行补偿前应进行系统参数、补偿数据、驱动参数等备份；

　　2> 修改参数 MD38000，设置补偿点，将参数MD32700=0，允许写入补偿值；

　　3> 将 NC 中相应轴的补偿文件 ARCHIVE 到硬盘中；

　　4> 将此文件拷贝到零件加工程序目录下；

　　5> 打开此文件，删除文件题头，将补偿数据逐个输入；

　　6> 设备重新回零，并运行该零件加工程序；

　　7> 将参数 MD32700=1，使补偿值有效；

　　8> 设备重新回零，补偿完成。

　　通过补偿，各轴的移动精度都有所提高，为：小于 0.01mm。

　　（二）龙门轴的控制方法和应用

　　为了提高 X 轴移动速度，X 轴由 X1、X0 两个伺服电机驱动，其中一个是主动轴，另一个是从动轴，它们有各自的位置环（光栅尺）反馈，为了使它们能进行龙门式的同步动作，关键是要解决回零的问题。龙门轴的回零与其它轴的回零有所不同，通过摸索，主要有以下几个过程，在此进行总结：

　　1、主动轴回零：回零过程与非龙门轴一致，即：对主动轴发出回零命令，主动轴就按设置好的回零方式进行回零，同时从动轴与主动轴同步运动；

　　2、一旦主动轴回零完成，从动轴自动开始回零，同时，主动轴与从轴同步运动；

　　3、当主 / 从轴均完成回零后，它们需要进行同步，如果此时主/从零点之间的距离值小于参数MD37110 中的数据，则同步自动完成，否则需进行下一步；

　　4、将主 / 从之间的差值输入到主动轴的参数MD34090 中，使参数激活；

　　5、重新回零，主 / 从动轴重复上述 1～2 步，同步自动进行，则回零完成。

　　（三）第三方主轴的应用

　　在本项目中，采用的是瑞士 CYTEC公司的电主轴，其额定功率为 34KW，专为汽车工业中高效率节拍生产设计，适用于铣削、钻削和攻丝等加工。由于它是非西门子公司产品，则要保证电主轴的各项电气参数与西门子驱动和系统匹配，主要的电气参数是电主轴的额定电压、阻抗、频率以及温度传感器、编码器信号等，下表是电主轴的电气参数：

　　将以上电主轴参数和其它相关共 30 多个参数输入到系统驱动参数中，进行试运行，将主轴速度由低逐渐向高调整，观察驱动器输出的情况，调整主轴速度环增益，使驱动输出在一定范围内达到平稳，即可。

5 结束语

　　通过对高速加工中心的第二轮开发，更换了控制系统，在设计和调试中，解决了第一轮开发存在的 Y 轴响应低等诸多问题，掌握了西门子840D中关于驱动、电源选型、龙门轴控制、第三方主轴控制等高速加工中心特有的控制方法，为我厂在后续项目的设计和开发上提供了技术储备。