基于自動上下料工作站的西門子數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)
2018-3-26 來源：四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：熊雋
摘要:為滿足“工業(yè)4. 0”中“智能上廠”的需求，數(shù)控機床必須與機器人、機械手等設(shè)備配合，實現(xiàn)自動化、無人化生產(chǎn)。這就需要對數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)，使其“能說話、能思考”。根據(jù)實踐經(jīng)驗，以西門子828 D數(shù)系統(tǒng)為例，講解數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的內(nèi)容及方法，包括:二次開發(fā)的步驟、I/0口和數(shù)控系統(tǒng)上作流程設(shè)計、控制指令開發(fā)、控制按鈕開發(fā)、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計等。
關(guān)鍵詞:工業(yè)4.0; 數(shù)控系統(tǒng); 二次開發(fā)
“工業(yè)4. 0”是制造業(yè)迎來的第4次工業(yè)革命，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織為標志。“工業(yè)4. 0”的最終目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，包含的三大主題分別是:智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流。自動化工廠將工業(yè)機器人、無人運輸車、自動化立體倉庫等設(shè)備應(yīng)用于加工過程，是實現(xiàn)智能工廠的重要環(huán)節(jié)，也得到了廣泛的應(yīng)用。
目前，隨著國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)在柔性、可靠性和開放性等方面的飛速發(fā)展，許多理論和技術(shù)問題得到了較好的解決，數(shù)控機床可開發(fā)成為智能機床，滿足用戶的個性化需求。文中以Siemens數(shù)控機床為例，對828 D數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)，使其“能說話、能思考”，與機器人、機械手等設(shè)備配合，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，達到低成本、高效率的效果。
1、數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)要求
要實現(xiàn)機床自動化生產(chǎn)，須采用機器人或機械手進行自動上下料。為保證機器人或機械手在數(shù)控機床加工時能配合默契，及時、準確無誤地上下料，不與機床發(fā)生干涉，機床就必須做到以下幾點:
(1) 實現(xiàn)機床與外部設(shè)備通信。
(2) 機床配置自動卡盤和自動防護門。
(3) 為加工時能很好地控制機床，必須開發(fā)必要的輔助加工指令。
(4) 為了手動狀態(tài)下也能控制機床，需添加防護門開關(guān)、卡盤松緊等按鈕。
2、西門子828 D數(shù)控系統(tǒng)簡介及二次開發(fā)內(nèi)容
2. 1 西門子828 D數(shù)控系統(tǒng)簡介
828 D是一款緊湊型數(shù)控系統(tǒng)，支持車、銑工藝應(yīng)用，能滿足不同安裝形式和不同性能要求的需要。完全獨立的車削和銑削應(yīng)用系統(tǒng)軟件，可以盡可能多地預(yù)先設(shè)定機床功能，從而最大限度減少機床調(diào)試所需時間，比想象的還容易。它集CNC, PLC操作界面以及軸控制功能于一體，通過Drive-CLiQ總線與全數(shù)字驅(qū)動的SINAMICS 51200PLC實現(xiàn)高速可靠通信，且PLC的I/0模塊通過PROFINET連接，可自動識別，無需額外配置。
2. 2 西門子828 D數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)內(nèi)容及步驟
數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)就是針對PLC軟件的開發(fā)。828 D數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制程序包含有一個主程序和多個子程序。可根據(jù)自身需求，像搭積木一樣，將新開發(fā)出的控制子程序在主程序中進行調(diào)用，達到自動生產(chǎn)的需求。具體操作內(nèi)容及步驟為:
(1) PLC控制程序的導(dǎo)出
即將機床原有的PLC控制程序?qū)С觥?28 D數(shù)控系統(tǒng)可利用機床界面的【調(diào)試存檔】功能將機床的PLC程序?qū)С觯鎯Φ接脩艚涌谒B接的外存儲器(如USB, CF卡等)中。導(dǎo)出程序類型為"*.ARD"
(2) PLC控制程序的開發(fā)
828 D數(shù)控系統(tǒng)采用機床內(nèi)置的SINAMICS 51200PLC進行控制。從機床中導(dǎo)出的PLC控制程序，可利用“PLC Programming Tool”軟件導(dǎo)入。經(jīng)過新建子程序，并在主程序中進行調(diào)用，達到控制需求。程序開發(fā)完成后，必須使用軟件的【導(dǎo)出】功能，導(dǎo)出后綴名為“.ARD”的程序。
(3) 根據(jù)控制需求，進行電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝。
(4) PLC控制程序的導(dǎo)入及調(diào)試。
將開發(fā)好的PLC控制程序，通過用戶接口所連接的外存儲器，使用【載入調(diào)試存檔】功能導(dǎo)入到數(shù)控系統(tǒng)中，并可通過【調(diào)試】功能，進行PLC程序的在線調(diào)試。
3、西門子828 D數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的具體方法
為方便講解，下面以最為典型的828 D數(shù)控車削系統(tǒng)配合機器人上下料為例，講解數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的具體方法。
3. 1 I/0口和控制指令設(shè)計
3. 1. 1 PLC的I/0口設(shè)計
為滿足通信要求，在PLC己用I/0通信接口的基礎(chǔ)上，新設(shè)定與卡盤、機床防護門、機器人通信的I/0口，如表1所示。
3. 1. 2 控制指令設(shè)計
要實現(xiàn)自動生產(chǎn)，數(shù)控系統(tǒng)必須開發(fā)必要的輔助加工指令，使機床在程序自動運行過程中能實現(xiàn)防護門自動開關(guān)、卡盤自動夾緊和松開、及時通知機器人上下料等。在己使用的M指令(如M03 , M04等)的基礎(chǔ)上，開發(fā)新M指令，如表2所示。
3. 2 數(shù)控系統(tǒng)土作流程
利用上節(jié)設(shè)計的I/0通信口和M指令，設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)工作流程如圖1(a)所示，并編寫相應(yīng)的機床加工程序，如圖1(b)所示。
圖1 數(shù)控系統(tǒng)上作流程圖
3. 3 機床M指令的開發(fā)
西門子828 D數(shù)控系統(tǒng)加工程序中的M指令，譯碼以后由NCK送給PLC，從MO一M99，每個M指令譯碼后占用V區(qū)的一位地址，不同M指令對應(yīng)的V區(qū)地址如表3所示。如M80對應(yīng)的地址為DB2500.DBX1010. 0 0當機床程序中出現(xiàn)M80指令時，CNC對加工程序進行譯碼，DB2500. DBX1000. 3內(nèi)信號為1。要實現(xiàn)M指令所設(shè)計的功能，就要利用該信號，并通過PLC程序進行控制。如:開發(fā)M80指令編寫的PLC控制程序如圖2、圖3所示。
圖2 促發(fā)M50. 5的PLC控制程序
圖3 M80指令的PLC控制程序
首先，M80指令只在機床的自動運行模式和M DA模式下才能生效。根據(jù)表4可查出，來自NCK的系統(tǒng)力一式有效信號為DB3100。而該字節(jié)有8位(BitO } Bit7) , 0位(用DBXO. 0)即為自動運行模式“自動AUTO"。因此，自動運行模式的信號地址為"DB3100. DBXO. 0"，當淚L床處于自動運行模式時DB3100. DBXO. 0為1。同理，處于MDA模式時DB3100. DBXO. 1為to兩信號的并聯(lián)輸出信號M50. 5，即為M80指令可執(zhí)行的基本條件。
圖4 PLC輸出接口連接圖
圖5 卡盤氣缸的控制電氣原理圖
當M50. 5和M80指令信號(DB2500. DBX1000.3)均為1時，即可實現(xiàn)M80指令的各功能。將M50. 2置為1，控制卡盤的松緊信號Q1. 4為1，卡盤松開;將Q0. 6置為1，通知機器人進行上料動作。另外，從表5可看出:為使機床保持進給，DB3200. DBX6. 0要置為1。為保證讀入禁止，DB3200. DBX6. 1要置為to讀入禁止后，機床不能執(zhí)行下一加工指令。只有機器人發(fā)送可進行下一步動作的信號I2. 4后，讀入禁止信號復(fù)位，才能繼續(xù)執(zhí)行M80的下一個指令。
其他M指令的PLC控制程序與M80的類似，分別根據(jù)表2所需達到的功能編寫PLC程序即可。所有M指令的控制程序可放在一個新建的子程序塊中，在主程序中進行調(diào)用。
3. 4 機床手動按鈕的開發(fā)
若數(shù)控機床為手動卡盤和手動防護門，就需要將其改造為氣動或液壓裝置。自動卡盤和自動防護門的電氣結(jié)構(gòu)較為簡單，也很類似。如將卡盤改造為氣動卡盤，PLC輸出接口的連接如圖4所示，卡盤氣缸的控制電氣原理圖如圖5所示。當PLC輸出信號Q1. 4 = ON時，控制KA 11繼電器的線圈得電，KA 11繼電器常開觸點閉合，YA1電磁閥得電，控制閥體接通，從而控制機床自動卡盤的氣缸縮回并松開工件。同理，當PLC輸出信號Q1. 4 = OFF時，氣缸回到初始狀態(tài)并夾緊工件。
另外，為了在手動狀態(tài)下也能控制卡盤的松緊和防護門的開合，必須在機床面板上新增相應(yīng)的控制按鈕。一般的數(shù)控系統(tǒng)，控制界面上都有閑置的按鈕供用戶開發(fā)所用。828 D數(shù)控系統(tǒng)各按鈕對應(yīng)的PLC輸入輸出接口如表6所示。可查出:采用閑置的按鈕T11作為卡盤松緊的控制按鈕時，按T11一次，PLC的輸入接口I118. 5得電一次;PLC的輸出信號Q116. 5 = ON時，Tll上力一的指示燈亮。配合圖6所示的PLC控制程序，即可實現(xiàn)手動狀態(tài)下卡盤的松開和夾緊控制(按第一次松開，按第二次夾緊)。
圖6 卡盤控制按鈕對應(yīng)的PLC控制程序
同理，用按鈕T14控制防護門開關(guān)的PLC控制程序如圖7所示。
圖7 防護門控制按鈕對應(yīng)的PLC控制程序
4、總結(jié)
根據(jù)上述章節(jié)所講的二次開發(fā)內(nèi)容，可完成數(shù)控系統(tǒng)的基本改造，使其滿足自動生產(chǎn)需求。該方法為實際經(jīng)驗的積累，己多次用于實際機床的改造，且機床運行效果良好。另外，所有數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)方法都是相似的，讀者可融匯貫通，進行其他數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。
5、兩種工藝的試驗研究
通過反復(fù)計算修正、優(yōu)化工藝流程后螺釘連接鑲裝工藝能夠保證鑲裝質(zhì)量和使用要求，但是又出現(xiàn)一個問題，封堵螺釘沉孔的尼龍銷隨著溫度變化熱脹冷縮量較大，有時會膨出導(dǎo)軌面刮傷移動部件上的聚四氟乙烯，因此又對填充物的材料進行了深入研究。
對幾種材料尼龍6、國產(chǎn)膠、進口膠進行試驗，測量以下數(shù)據(jù):
(1)常溫下基面與尼龍銷、膠體面的高度差;
(2)試件加熱至42℃，再次測量基面與尼龍銷、膠體面的高度差。
反復(fù)試驗后得出表1所示數(shù)據(jù)，可以看出，尼龍6銷釘熱膨脹0. 008一0. 015 mm，熱膨脹量大;國產(chǎn)膠熱膨脹0. O1 - 0. 04 mm，熱膨脹量較大;進口膠熱膨脹0一0. 008 mm，熱膨脹量較小。
實際使用時，因為導(dǎo)軌副之間有潤滑油潤滑和冷卻，溫度不可能達到42 ℃，所以尼龍6材料和進口膠都能滿足使用要求。但是進口膠價格昂貴，性價比差，在滿足充分潤滑冷卻的前提下，還是優(yōu)選尼龍6作為填充材料。
對粘接鑲裝工藝從膠的材料、厚度、粘接時施加的壓力、固化時間等力一面進行了多次試驗研究，得到了以下結(jié)果:雙組份環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠(AB膠)具有十分良好的粘接效果，這種膠強度高(抗剪強度[π] > 18 MPa,鋼一鑄鐵正拉粘強度[α]> 30MPa)，能承受較大載荷，且耐老化，耐疲勞、耐腐蝕;膠層厚度為0. 1一0. 2 mm時粘接效果和經(jīng)濟性較好;粘接時夾具上使用約0. 1 MPa的力加壓，常溫20 - 25℃下，膠液可迅速固化，且可以保證膠層厚度;固化時間24 h，確保粘接牢固。膠層充滿導(dǎo)軌板和槽底部、兩側(cè)間隙后能夠產(chǎn)生足夠的粘結(jié)力，膠層熱脹冷縮量較小，可以避免使用過程中鋼導(dǎo)軌板或側(cè)面膠體高出導(dǎo)軌面。
通過反復(fù)計算、分析、試驗、優(yōu)化后兩種鋼導(dǎo)軌板鑲裝工藝都能滿足使用要求。螺釘連接鑲裝工藝由于材料費、人工費高出粘接工藝10%一15%，考慮可靠性因素，一般用于價值較高的大、重型機床上;考慮經(jīng)濟性因素及借鑒國內(nèi)外同行廠家的應(yīng)用情況粘接鑲裝工藝一般用于中、小型機床上。
6、結(jié)束語
通過對鑲裝工藝的研究，論證了鑄鐵基體鑲裝鋼導(dǎo)軌板的可行性，為滾滑復(fù)合導(dǎo)軌的推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。如今，滾滑復(fù)合導(dǎo)軌己推廣應(yīng)用到某公司落地世、刨臺世、龍門銑、臥式加工中心等系列產(chǎn)品上，取得了良好的經(jīng)濟社會效益。 螺釘連接、粘接兩種鋼導(dǎo)軌板鑲裝工藝各有優(yōu)缺點，大家可根據(jù)具體需求和自身的實際情況選擇使用。
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