1 項目簡介

　　WNC-700S數控車床III單元是奧地利VOESTALPINE公司20世紀80年代生產的大型數控設備，設備用于炮彈彈體的加工。原控制系統選用西門子3TT數控系統，驅動采用6RB2030直流驅動，主軸采用SI-MOREG 6RA 26直流驅動，輸入輸出接口采用S5-130W。另外，該設備具有一個四軸的全自動上下料系統(后文簡稱送料系統)，所有待加工工件以及加工成品均可通過該裝置自動裝卸、運送。近幾年，由于控制系統元器件的老化，設備的故障率極高，影響了正常的生產。

2 控制系統構成

　　2.1 方案配置　

　　該設備是精加工數控車床，具有三個刀架，每個刀架分別由兩個伺服電動機(x、z軸)拖動完成縱向和橫向的移動。刀架選用意大利的盤式刀架，每個刀架可安裝12把不同的刀具，并可實現就近找刀功能。三個刀架要求能夠同時、分時或者單獨對工件(炮彈彈體)進行加工，在加工中要求主軸轉速可根據三個刀架的不同物理位置進行隨機調整，實現轉速的平穩過渡，保證工件的加工精度及表面粗糙度，通常情況下刀架1和刀架3在加工中同步等速運行。另外，送料系統需要在加工的過程中和主機以點對點(point to point)方式進行實時通信，送料系統根據主機部分的工作狀態完成自動識別、判斷，從而達到智能裝卸工件的功能。

　　基于機床的三刀架加工、自動裝卸工件的雙重功能以及設備的特性和工件加工的工藝要求，因此在選擇數控系統時要求所選數控系統具備多通道功能。西門子840D系統具有10方式組、10通道以及最多可配置31軸的功能，選擇該數控系統完全可以滿足本設備的控制要求，根據設備的加工特性有兩種配置方案可供選擇。具體的配置方案如下：

　　方案1：設備采用西門子840D控制系統，選用多通道系統軟件，通過機床數據激活所需通道，確保系統具備四通道功能。系統控制的軸包括主軸、XI、xⅡ、XⅢ、ZI、ZⅡ、ZⅢ、P1、P2、X1、Z1共11軸，其中刀架1的XI、Z1分配到第一通道；刀架2的XⅡ、ZⅡ分配到第二個通道；刀架3的XⅢ、ZⅢ分配到第三個通道；送料系統的P1、P2、X1、Z1軸分配到第四通道，主軸定義為公共軸，為刀架1、2、3共同使用。

　　方案2：設備主機部分采用西門子840D數控系統，選用多通道系統軟件，確保系統具備三個通道，系統控制的軸包括主軸、XI、XⅡ、XⅢ、ZI、ZⅡ、ZⅢ共七軸，其中刀架1的x I、z 1分配到第一個通道；刀架2的XⅡ、ZⅡ分配到第二個通道；刀架3的xⅢ、zⅢ分配到第三個通道，主軸定義為公共軸，被刀架1、2、3共同使用。另外，送料系統采用西門子802D數控系統實現P1、P2、X1、Z1四軸控制，通過下面幾個主要機床數據的設置完成對840D數控系統的通道分配，公共軸(主軸)定義，擴展通道的激活等功能。

　　兩套控制系統間可采用點對點通訊(point to point)，即通過兩套系統的輸入輸出接口進行信息傳送，以保證控制系統之間協調工作。

　　以上兩種控制方案各有其優缺點，首先從電氣的角度來講，采取方案1應該說是最合理的，因為所有的軸及不同的通道間統一由同一個控制系統來處理，因此在動作的協調上以及響應速度上都容易處理，而且各通道間的數據交換由系統自行處理，調試周期短，PLC程序處理簡單。但是從該設備的現狀出發，使用該方案有其不足之處：該設備的送料系統的機械機構承重部分采用的是輕巧的鋁制部件，采用這種材質部件使得電動機的承載力減輕，運動起來更靈活，但其缺點是容易損壞，稍有碰撞便會損壞機械部件，造成設備不能正常工作，影響正常的生產。而方案2卻能夠很好的解決這個問題。由于方案2采用雙系統控制模式，因此在系統問的信息處理上就存在一定的困難，系統問及時的信息交換是該方案的重點及難點，但其最大的優點是系統間雖然在使用中有必然的聯系但是同時各系統又是獨立的控制單元，各自可以獨立工作，因此從維修的角度來講就非常方便。假設機械手部分出現故障，便可切斷送料系統，在不對840D控制系統進行任何處理的情況下，主機部分可通過人工送料的方式(該方式也是一種行之有效的加工方式)繼續進行生產，而且在主機工作的同時也可對機械手進行維修，不會影響正常生產。另外，在主機進行加工的過程中，也可將機械手切換到手動方式工作，非常靈活。又因為機械手采用獨立控制，所以可以實時通過802D系統監視器監控機械手的狀態。基于以上的分析，所以最終確立方案2來完成對該設備的控制。

　　2.2 控制系統主要部件

　　(1)主機部分：(控制系統為西門子840D數控系統)

　　①NCU軟件(6FC5357—0BB22—0AE0)：NCU572.3具備10通道，最多可配置31軸。

　　②PCu50(6Fc5210一0DF22—0AA0)：1.2G／256M內裝HMI高級接口軟件(中英文顯示)。

　　③顯示器(6FC5203—0AF00—0AAl)：10．4英寸TFT彩顯OP010一臺。

　　④數模轉換部件(6SNlll5—0BAll—0AA0)：采用西門子ANA轉換模塊實現數9／模擬信號的轉換，用來控制主軸一塊。

　　⑤機床控制面板(6FC5203—OAF22—0AA0)：西門子專用19英寸控制面板(MCP)，自帶15個用戶自定義按鍵一塊。

　　⑥手持單元：多功能西門子MINI型手持單元一套。

　　⑦驅動部件：進給軸：驅動器采用西門子SIMODRIVE611D交流驅動裝置，電動機采用西門子1FK7交流伺服電動機，XI、XⅡ、XⅢ軸電動機(1FK7101—5AF71—1AH0)27 Nm，ZI、ZⅡ、ZⅢ軸電動機(1FK7103—5AF71—1AGO)36 Nm；主軸：驅動采用西門子直流驅動裝置6RA70(210A)，電動機采用西門子直流電動機(60 kW)。

　　⑧位控部件：進給軸：ZI、zZⅡ、ZⅢ軸選用海德漢ROD型1Vpp編碼器(6FX2001—3AC50)實現全閉環控制，分辨率為2 500；主軸：選用海德漢ROD型1Vpp編碼器(6FX2001—3AB02)實現恒現速，每轉進給的功能，分辨率為1 024。

　　⑨輸入輸出接口：采用S7—300系列PLC通過IM361與NCU連接。

　　(2)送料系統部分(控制系統采用西門子802D數控系統)

　　①數控系統(6FC5600—0AG02—0AA0)：西門子802D基本配置2一套，包括PCU一件、數字鍵盤一件、611UE控制板2套、72／48輸入輸出模塊一塊。

　　②驅動部分：進給軸驅動器采用西門子SIMO—DRIVE 61lUE交流驅動裝置，電動機采用西門子1FK7交流伺服電動機，P1、P2軸電動機(1FK7060—5AF71—1AB0)6 Nm，X軸電動機(1FK7060—5AF71—1AA0)6 Nm，Z軸電動機(1FK7101—5AF71—1AA0)27 Nm。

3 控制系統完成的功能

　　本設備的加工工藝有其特殊性，這里從NC機PLC兩個方面來闡述如何完成對工件的加工，以及如何實現840D和802D系統間的信息交換過程，這兩點也是本設備的重點及難點。

　　3.1 工件的加工工藝

　　本設備在對工件進行加工時，要求三個刀架同時參與加工。

　　其中：刀架1主要完成工件的粗加工；刀架2主要完成精加工；刀架3配合刀架1完成粗加工以及輔助裝卸工件。在加工過程中有三個工藝要點：其一，在加工彈體大圓弧時要求刀架1和刀架3同步加工；其二，為保證工件表面粗糙度要求須進行恒線速加工；其三，防止刀架1和刀架2在加工過程中發生碰撞，要求兩刀架問的位置差要大于一個恒定的數值。要解決這三個工藝要求，需要從NC和PLC兩方面進行處理。

　　NC方面可通過通道間的同步等待指令WAITM(．．)實現刀架1和刀架3同步JJuT_，通過機床數據設置x軸為FACE軸，實現恒線速加工。通過系統變量$A_IN[．]讀取PLC程序的接口地址信息，來控制刀架2的跟隨位置，以實現防碰撞功能，同時在PLC程序中通過FB2功能塊讀取z1軸的坐標位置，通過PLC程序處理后將最終信息通過NC擴展數字接口信號傳遞給NC系統變量$A—IN[．]，NC程序通過訪問$AjN[．]從而獲取zl軸的動態位置信息。下面通過NC以及PLC程序片斷說明該功能的實現過程。

　　上面P111為通道1(即刀架1)的NC程序，P222為通道2(即刀架2)的NC程序，P333為通道3(即刀架3)的NC程序，其中“WAITM(1，1，3)”為1和3刀架同步加工指令，即只有兩個通道都讀到該指令時兩刀架同時開始執行工件同步加工；WAITM(5，1，2，3)為三個刀架的同步指令，功能同WAITM(1，1，3)；“G96S90 LIMS=700”為恒線速指令，該指令控制最高線速度為700 r／min；“IF$A—IN[9]==0 GOTOBMARK”語句完成實時監控功能，通過PLC程序以20ms的速度反復讀取z1軸的坐標位置，從而實現刀架2的同步跟隨功能，避免刀架1和刀架2在加工過程中出現碰撞現象。zl軸的位置信息是通過以下PLC控制程序來實現的。

　　3.2 系統問的Point to Point(點對點)通訊

　　使用本設備時，需要主機部分和送料系統有序地進行工作。換句話說，就是要求裝卸工件時，主機第三通道的刀架3配合送料系統完成工件的裝卸；主機在進行工件加工的過程中，要求送料系統能夠自動完成下一個工件的預抓準備工作，在主機對工件完成加工后以最短的時間完成下一個周期工件裝卸任務，要求裝卸料過程占用加工時間越少越好(一般情況下不超過1 min為宜)。要使這個過程有序地進行就需要兩控制系統間通過輸入輸出接口點對點進行及時的信息交換。也就是說通過840D系統的數字輸出接口將主機的狀態信息傳遞給802D控制系統的數字輸入接口，送料系統通過802D控制系統的數字輸入接口讀取主機的狀態信息；同樣送料系統通過802D控制系統的數字輸出接口將其工作狀態傳遞給840D系統的輸入接口，主機再通過輸入接口讀取送料系統的工作狀態。這種通訊方式可以簡單的稱之為點對點(PTP)通訊(Point To Point)方式，對于響應速度要求不是很高的場合它不失為一種簡潔可靠的通訊方式。下面通過介紹本設備的整個加工過程來進一步了解PTP通訊方式的特點。

　主機與送料系統間主要有兩個關鍵位置(刀架3的輔助接料、送料位置)和三個工作狀態(是否啟動送料系統，天窗是否打開，主軸上是否有待卸成品)需要進行信息交換。在主機NC程序中通過自定義的宏指令來完成系統間的信息交換。下面以部分NC程序來說明。在此之前首先介紹一下在NC程序所要用到的部分高級NC指令和幾個自定義宏指令。

　(1)高級NC指令

　　①INIT(n，”_N_文件名_MPF”，”n”)：該指令用于定義在第n個通道中需要執行的文件。

　　②START(n)：該指令用于啟動通道n中的程序。(查)WAITM(n，1，2，3)：該指令用于定義在通道1、2和3中的等待標志n。

　　③WAITE(n)：等待通道n中的程序結束指令。

　　(2)自定義宏指令

　　①START—ROBOT(啟動送料系統NC程序)：在840D系統NC程序中可以通過該指令自動啟動802D系統的特定NC程序。在使用該指令時，802D系統應選擇自動工作方式。另外本指令為非模態指令，也就是說該指令只在當前行有效。

　　②TAKEOUT_READY(抓取成品位置準備好)：在成品卡爪抓住成品，下刀架退回至安全位置后，使用該指令可以再次激活機械手完成卸掉成品工件的任務。該指令為非模態指令，只在當前行有效。

　　③INSTALL—READY(裝毛坯位置準備好)：在毛坯爪將毛坯送至卡盤，下刀架移到裝載位置后，使用該指令可以再次激活機械手完成安裝工件的后續工作。該指令為非模態指令，只在當前行有效。

　　首先在通道1中選擇100.MPF→在通道2中選擇200.MPF→將送料系統設定為自動方式→啟動主機控制系統(840D系統)→程序1通過第N10行指令調用程序2→運行至N30行時啟動通道2中的程序→程序1執行至N50行時暫停運行等待程序2中的同步指令WAITM→程序2在N10段啟動送料系統的NC程序運行→在程序2中通過N30及NS0段的指令TAKEOUT'→READY和INSTALL_READY卸下及安裝工件→執行至N70段時由WAITM(1，1，2)指令再次啟動程序1_程序1執行至N70段時再次暫停執行等待程序2中的M30程序結束指令_等待程序2執行結束后_程序1再次從等待位置啟動直至加工結束。

　　從程序中可以看出，通過自定義宏指令START_ROBOT、TAKEOUT_READY、INSTALL—READY就可以方便地實現系統間的信息交換。另外，使用840D控制系統的“程序控制”功能，通過激活或者取消“SKIP”功能可以方便地實現手動裝卸工件，中斷送料系統的執行。

4 結語

　　點對點的通訊方式為控制系統的拓展使用提供了一種新思路。改造后的設備經過一年多的使用，其功能及效率方面遠遠優于原控制系統，故障率非常低，且維修方便快捷，保證了生產的正常有序進行。