數(shù)控機加技術(shù)在 ＲEIKA 卡盤定位中的應用
2018-8-29 來源：內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司無縫鋼管廠 作者：趙海燕，郭利中，郭勇志
摘 要: ＲEIKA 卡盤的控制與精確定位是一項綜合性技術(shù)，需要數(shù)控機加、測量、計算機、自動控制等多學科領域的參與。在 SINUMEＲIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)中，通過 PLC 邏輯控制與 NC 數(shù)控機加編程的有力結(jié)合，既實現(xiàn)了 ＲEIKA卡盤的動作控制，保證加工節(jié)奏的快速性; 又兼顧了其卡盤的精確定位，提高了設備安全性。
關(guān)鍵詞: SINUMEＲIK 840D; 多通道配置; NC 通道; 數(shù)據(jù)交換
ＲEIKA 的作用是將成品鋼管切成指定規(guī)格長度的管箍，為下一道管箍內(nèi)螺紋車絲的工序做準備。本文主要分析利用 SINUMEＲIK 840D 的 CNC 的多通道快速處理能力，通過 NC 及 PLC 的程序編程與數(shù)據(jù)采集交換，實現(xiàn) ＲEIKA 切管機卡盤的控制與精確定位。1 ＲEIKA 的數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架ＲEIKA 是一臺高精密數(shù)控切管機，它的數(shù)控系統(tǒng)源自西門子的 SINUMEＲIK 840D。
1． 1 NCU 數(shù)控單元( Numerical control unit)
NCU 數(shù)控單元是 SINUMEＲIK 840D 的中央處理器。內(nèi)部通信及驅(qū)動接口軟件負責協(xié)調(diào) PLC －CPU、NC － CPU 和 MMC － CPU 三者之間的步調(diào)，處理所有 CNC、PLC、MMC 的通訊任務。NCU 數(shù)控單元通過直流母線、控制總線、數(shù)據(jù)總線與各驅(qū)動模塊相互連接，組成數(shù)控的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。SINUMEＲIK840D 系統(tǒng)的 NCU 數(shù)據(jù)在表 1 參數(shù)與功能描述中給予了說明。
表 1 參數(shù)與功能描述
1． 2 人機界面
人機交互裝置建立起 ＲEIKA 切管機的數(shù)控機加系統(tǒng)與操作員之間的交互界面，它由 MMC 和 OP組成。MMC( Man Machine Communication) 有自己獨立的 CPU，OP 單元是顯示器。PCU( PC UNIT) 是專門為配合西門子 SINUMEＲIK 840D 的操作面板而開發(fā)的 MMC 模塊，PCU50 對應于帶有硬盤的 MMC103，軟件是基于 WINDOWS NT 的 HMI。
1． 3 可編程序控制器 － PLC
SINUMEＲIK 840D 系統(tǒng)的 PLC 集成在 NCU 模塊中。其通過 NCU 模板的 X111 端口與外圍 I/O 模塊、功能板卡進行數(shù)據(jù)交換。直線型封閉式微脈沖磁柵位置傳感器作為它的一個從站連接在網(wǎng)絡中，將當前 ＲEIKA 前卡的位置實時傳輸給 PLC，PLC 與NC 通訊并交換變量，運算結(jié)果應用到 PLC 的邏輯程序與 NC 的數(shù)控機加程序中，實現(xiàn) ＲEIKA 前卡的控制與精確定位。
1． 4 驅(qū)動裝置
ＲEIKA 切管機的 SINUMEＲIK 840D 系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服驅(qū)動 SIMODＲIVE 611D，配以 1FT 進給電機( 編碼器 EＲN1387) 和 1PH1 主軸電機( 編碼器EＲN1381) 。611D 單軸模塊具有兩個反饋測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)卡盤位置全閉環(huán)控制。其中 X411 端口是電機編碼器接口，輸入電機的編碼器信號;X421 端口是直接測量系統(tǒng)輸入口，輸入直接位置測量信號，一般為正余弦電壓信號。
2 、數(shù)控機加技術(shù)在 ＲEIKA 的應用
ＲEIKA 切管機卡盤的控制與精確定位包含了兩方面的內(nèi)容: 一個是 ＲEIKA 卡盤的控制從工藝上考慮要保證加工節(jié)奏的快速性; 另一個是 ＲEIKA 卡盤的精確定位，提高設備安全性。
2． 1 數(shù)控系統(tǒng)對 ＲEIKA 卡盤的控制實現(xiàn)
ＲEIKA 卡盤的控制，必須把 NC 及 PLC 的編程有機地結(jié)合起來。因為由 NC 控制器計算的“X”軸/“U”軸位置，分別來自通道 1 和通道 2，所以必須在 NC、PLC 之間進行數(shù)據(jù)交換，以便使整個系統(tǒng)都在程序控制之中。
2． 1． 1 ＲEIKA 的通道與關(guān)鍵軸
通道是 SINUMEＲIK 840D 系統(tǒng)的一個基本功能，每一個通道都可以作為一個獨立的 NC。雙通道意味著系統(tǒng)可以同時執(zhí)行兩個程序，它們互不影響、被協(xié)調(diào)同步運行。作為數(shù)控切管機的 ＲEIKA 共有 4 個機床軸，它們是“C”軸、“U”軸、“V”軸和“X”軸。其中“X”軸控制卡盤刀具的進/退刀; “U”軸控制 ＲEIKA 前卡小車的左右行走。由于這 2 個軸涉及到 ＲEIKA 卡盤的控制與精確定位，所以是關(guān)鍵軸。
2． 1． 2 數(shù)控機床軸配置
SINUMEＲIK 840D 缺省為一個通道，需要參數(shù)設置成兩個有效通道:MD10010 $ MN － ASSIGN － CHAN － TO －MODE － GＲOUP［0］= 1 ∥通道 1 分配給方式組 1
MD10010 $ MN － ASSIGN － CHAN － TO －MODE － GＲOUP［1］= 1 ∥通道 2 分配給方式組 1
設置機床軸名:N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［0］= C ;
N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［1］= U ;
N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［2］= V ;
N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［3］= X ;
通道 1 參數(shù)設置:N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［1］= 3 ∥第 3 個軸分配給通道 1
N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［2］= 4 ∥第 4 個軸分配給通道 1
N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［3］= 0 ∥第 1 個軸分配給通道 1N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB
［0］= C ∥通道 1 第 1 個軸叫“C”軸
N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［1］= V ∥通道 1 第 2 個軸叫“V”軸
N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［2］= X ∥通道 1 第 3 個軸叫“X”軸
通道 2 參數(shù)設置:
N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［0］= 2 ∥第 2 個軸分配給通道 2
N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［0］= U ∥通道 2
第 1 個軸叫“U”軸
2． 1． 3 ＲEIKA 卡盤定位的邏輯控制
ＲEIKA 卡盤定位的邏輯控制者是 PLC、動作執(zhí)行者是比例閥、位置回饋靠直線型封閉式微脈沖磁柵位置傳感器。
圖 1 為定位架構(gòu)及數(shù)據(jù)流。
按照接箍料的不同規(guī)格、結(jié)合 NC 傳送過來的“X”軸/“U”軸的實際位置，ＲEIKA 卡盤得到了相應的位置給定值。這個給定位置值和實際位置之間的差產(chǎn)生了修正量 xd。修正量 xd 經(jīng)過規(guī)格化后由模擬量輸出通道送給比例閥作為給定，控制 ＲEIKA 前卡機構(gòu)的動作。隨著預定位置的逼近，xd 逐漸減少，直至位置到達后 ＲEIKA 前卡停止動作。
圖 1 定位架構(gòu)及數(shù)據(jù)流
2． 2 ＲEIKA 卡盤的精確定位
PEIKA 卡盤定位采取全閉環(huán)控制，直線型封閉式微脈沖磁棚位置傳感器安裝于動作機構(gòu)的末端。由于這種方式消除了絲杠的螺距誤差和反向間隙誤差，使 得 ＲEIKA 卡 盤 重 復 定 位 精 度 高 于± 0. 01 mm。ＲEIKA 前卡爪的動作機構(gòu)在“U”軸上，為了防止刀具、卡具損壞，它的動作控制與精確定位要結(jié)合“X”軸與“U”軸的條件: ＲEIKA 前卡的實際位置值等于設定位置值時，“U”軸可以動作。在“U”軸動作過程中，ＲEIKA 前卡的實際位置被連續(xù)測量并反饋，如果動態(tài)誤差在允許范圍內(nèi)，處于不會造成對刀具/卡具損傷的安全位置時，利用雙通道功能，一個通道控制“U”軸按照 NC 的加工程序正常運行; 另一個通道控制“X”軸按照 NC 加工程序進刀動作。ＲEIKA 卡盤的精確定位依賴于 NC 通道之間、NC 和 PLC 之間的的數(shù)據(jù)交換。
2． 2． 1 PCL 讀取 NC 的數(shù)據(jù)
PLC 獲取 ＲEIKA“X”軸和“U”軸的位置數(shù)據(jù):利用 NC_var Selector 選擇 ＲEIKA 切管機床通道 1 和通道 2 所編程的位置變量，將 NC 傳來的“X”軸位置變量放入 DB207． DBD8 中; 將 NC 傳來的“U”軸位置變量放入 DB207． DBD16 中。在編程ＲEIKA 切管機前卡的動作時充分利用 “X”軸位置DB207． DBD8 的數(shù)據(jù)和“U”軸位置 DB207． DBD16的數(shù)據(jù)，就可保證 ＲEIKA 前卡的每一次定位都在允許的安全范圍內(nèi)。
2． 2． 2 NC 讀取 PLC 的命令
NC 數(shù)控程序判斷 ＲEIKA 卡盤的位置數(shù)據(jù):為了加強邏輯保護嵌套的合理性，在 ＲEIKA 機床數(shù)控機加程序中加入主要保護語句，這些語句的條件源自于 PLC。
CALL FC21
Enable : = M0． 1 ∥1 = FC21? active
Funct : = B #16 #4 ∥ B #16 #4 = write ( PLC 寫NC)S7Var :
= P#DB198． DBX 0． 0 BYTE 2 ∥PLC 中ＲEIKA 前卡的位置判斷的地址
IVAＲ1 : = 0 ∥NC 中的數(shù)據(jù)地址
IVAＲ2 : = － 1
Error : = M240． 0
將 PLC 地址 P#DB198． DBX 0． 0 BYTE 2 中的數(shù)據(jù)寫到 $ A_DBW［0］里，NC 程序就可以利用 $ A_DBW［0］讀取和編程 ＲEIKA 機床數(shù)控加工程序通道 1 中的“X”軸程序。
同理，將 PLC 地址 P#DB199．DBX 60． 0 DWOＲD 1 中的數(shù)據(jù)寫到 $ A_DBW［104］里，NC 程序就可以利用 $ A_DBW［104］讀取和編程ＲEIKA 機床數(shù)控加工程序通道 2 中的“U”軸程序。
當 N90 IF $ A_DBW［0］= = 1 gotof XSpindel-stop ∥如果通道 1 中獲取 ＲEIKA 前卡的位置偏差大于 1 mm，則變量 $ A_DBW= = 1 加工程序?qū)⑻D(zhuǎn)到停止“X”軸運動軌跡并迅速從工作區(qū)域的機加程序“XSpindelstop”中退出。
當 N90 IF $ A_DBW［104］= = 1 gotof USpin-delstop ∥如果通道 2 中獲取 ＲEIKA 前卡的位置偏差大于 1 mm，則變量 $ A_DBW= = 1 加工程序?qū)⑻D(zhuǎn)到停止“U”軸運動軌跡并迅速從工作區(qū)域的機加程序“USpindelstop”中退出。
3、 結(jié)束語
在 SINUMEＲIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)下，自動化的 PLC 邏輯控制和數(shù)控加工的 NC 編程相互配合，實現(xiàn)了 ＲEIKA 切管機卡盤的控制與精確定位，達到了保護措施的嵌套合理性與嚴密性.
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