西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的應用

1 引言

    在制造業(yè)現(xiàn)代化的今天，生產(chǎn)的高效率和產(chǎn)品的高質量要求使得一些高精度數(shù)控機床和高性能數(shù)控系統(tǒng)應運而生，同時也使許多普通機床和傳統(tǒng)工藝難以解決的問題變得相對簡單了一些，使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量也有很大程度的保證。我公司的玻璃數(shù)控鉆孔機的數(shù)控系統(tǒng)采用了西門子公司的SINUMERIK 840D系統(tǒng)，在使用過程中高精度的產(chǎn)品質量和極低的故障率（主要取決于清晰的可視化報警信息，使得故障能夠迅速排除）贏得了客戶對此系統(tǒng)的信任。下面對SINUMERIK 840D系統(tǒng)和驅動的執(zhí)行機構—機械結構介紹如下：

2 設備機械結構的組成

    此設備用于玻璃的鉆孔加工，如圖1所示，整個機加上有兩根平行的橫梁，兩對鉆軸分別安裝在由4個位置電機帶動可左右移動的固定板上，每塊固定板分別由固定在橫梁上下的兩個直線導軌滑塊與固定板連接在一起，鉆軸的左右移動由固定在固定板上的位置電機M1,M2,M3,M4通過齒輪齒條帶動鉆軸沿Y方向左右移動。每個鉆軸的內(nèi)部由兩個電機組成,靠近鉆頭的電機（M7,M9,M11,M13）帶動鉆頭旋轉。鉆軸的另外一個電機（M6,M8,M10,M12）通過電機內(nèi)部的絲杠螺母副將電機轉子的旋轉運動轉換為軸向升降運動，帶動鉆頭作上下進給運動，即Z向運動。玻璃定位時首先由X方向定位裝置（此裝置在圖中未畫出，其方向為垂直于紙面的方向，裝置的運動由X方向位置電機M5驅動）將玻璃推至準確位置，各鉆軸沿Y方向移動至正確位置，下鉆頭上升，開始鉆玻璃的下平面，鉆至設定的深度，下鉆頭退回，然后上鉆頭下降鉆玻璃的上平面，鉆至設定的深度后退回。此設備可同時對兩個孔進行加工。

圖1  機械結構組成圖

3 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)

    3.1 硬件部分
    SINUMERIK 840D采用特殊的三CPU結構：人機通信CPU、數(shù)字控制CPU（NC-CPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLC-CPU）。如圖2所示MMC-CPU在OP012人機界面內(nèi)，NC-CPU和PLC-CPU集成在NCU572內(nèi)。

圖2  840D數(shù)控系統(tǒng)構成

    3.1.1  NCU數(shù)字控制部件
    以NCU572為核心，電源模塊采用SIMODRIVER 611D，電源模塊主要為NCU和給611D數(shù)字驅動提供控制和動力電源，產(chǎn)生母線電壓，同時監(jiān)測電源和模塊的狀態(tài)。后面有三個進給模塊通過驅動總線接口與NCU572掛接，數(shù)控和驅動的接口信號為數(shù)字量，分別驅動兩對鉆頭的Y方向位置電機（M1,M2,M3,M4）和X方向位置電機M5。同時NCU572又通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與OP012人機界面、S7-300PLC及控制電機轉速的變頻器連接在一起。
    3.1.2 MMC人機通訊
    人機通訊是數(shù)控系統(tǒng)和人進行信息交流的通道。包括: OP（Operation Panel）和MMC。
    （1） OP012 操作面板
    OP（Operation Panel）單元由一個12.1″TFT顯示屏和一個NC鍵盤組成。人機界面OP012采用Windows 95作為操作平臺，使操作簡單、靈活，易掌握。生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變更和各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控，在OP012上清晰可見，其軟件內(nèi)容豐富功能強大。
    （2） MMC計算機
    MMC實際上是一臺計算機。它有自己獨立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟驅。OP單元正是這臺計算機上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺計算機中。
    3.1.3  PLC模塊
    SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊。其電源由西門子SITOP電源（40A）提供，接口模塊IM361是用于級之間的互連。它通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與NCU572連接。在IM361右側為信號模塊，信號模塊是用于PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。即輸入模塊SM321和輸出模塊SM322。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的。設備上的各種光電開關、行程開關的輸入和電磁閥、接觸器的輸出信號分別與輸入和輸出模塊相連，控制各種外部執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)動作。
    3.1.4  各部分相互連接
    NCU數(shù)控單元是CNC控制部件的核心，它與MMC、伺服電源模塊、進給伺服驅動裝置和伺服電機連接。本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，伺服電機采用1FK型內(nèi)置編碼器電機，通過伺服電機編碼器作為位置檢測元件，將位置信號反饋至數(shù)字驅動模塊（611D）的位置接口X411，構成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了對玻璃鉆孔孔位的精確定位控制。在鉆孔時為確保上下鉆頭的同心度（即上下鉆頭中心重合），在四個位置電機移動的Y方向上設置了四個行程開關，作為四個鉆軸的參考點位置。在打開機器電源后，需要對各鉆軸進行參考點復位動作，即給各鉆軸的編碼器賦值（剛打開電源時各編碼器的值均為零。在進行參考點復位時，鉆軸運行到行程開關的位置時，編碼器的值變成系統(tǒng)預先設定的參考點的值）。當上下鉆頭出現(xiàn)位置偏差時，在系統(tǒng)的軟件內(nèi)還設置了誤差補償量，通過調(diào)整補償量可以很方