基于數控平臺的超長工件多功能協作加工監控技術*

林獻坤 徐 劍 韓世卓

(上海理工大學機械工程學院，上海200093)

隨著我國鐵路、航空、航天、國防、核電等工業的快速發展，使得對超零件的需求量越來越大，重型裝備相應的質量和尺寸也急劇增大，許多零件幾乎達到了我國當前加工、制造能力的極限［1］。在重型裝備的設計與制造中，超長工件是超大重型裝備需要用到的重要功能部件，該部件的精度和質量往往直接影響重型裝備的性能。經文獻檢索，我國對超長工件加工過程關鍵技術的研究報導還很少［2］。

超長工件的加工具有復雜性［3］，若在加工過程中，采用加工主軸運動、工件靜止的方式進給，則需要有超長高精度的導軌作為機床部件，而如何安裝滿足要求的導軌本身就是一個較難的技術問題。采用主軸靜止、工件進給方式可以避免該問題，但超長工件本身質量就很大，對軸的啟動控制需要有較大的進給驅動力;另外，超長工件切削量大，加工時間長，在加工過程中，往往需要一次裝夾、一次成型或少次走刀來達到加工目的，因此裝備需要多個工位同時工作，來減少裝夾和加工次數，提高加工效率和精度。

針對這樣的復雜性，除了對機床本體做相應的聯動關系機械設計外，也對控制系統提出了更高要求，主要體現在:(1)為了適應工件的超重負載，裝備上的裝夾、冷卻、切屑回收等輔助系統也變得愈加復雜，因此也就對輔助系統工作狀態的可視化監控提出了更高的要求;(2)為實現裝備上的多工位同步加工，需要多軸協作，如何實現多軸同步對控制系統提出了更高的要求;(3)以主軸靜止、工件運動的裝夾方式，對工件的裝夾也提出了更高要求，為保證超長工件的持續不間斷勻速進給，需要對進給軸的進給運動控制方法做更深入的理論探討;(4)對多工位的切削加工，需要有更智能化的加工主軸對刀定位控制方法。

本文圍繞超長工件加工控制存在的這種復雜性要求，以SINUMERIK 840D數控系統為控制平臺，通過二次開發方式，構建可監測和控制超長工件加工的機床本體及其輔助系統的控制系統，研究系統的功能部件協作機制及其系統實時數據庫構建方案，給出系統開發實現步驟，并以500 m超長鋼軌的加工整形為實例，論述說明了研究開發的監控系統在超長工件加工控制中應用的可行性。

1 840D數控平臺及其二次開發技術

SINUMERIK 840D數控系統平臺(簡稱:840D系統)是一個開放的數控系統，它為實現數字控制及控制系統的應用，建立了綜合的系統平臺，通過系統參數設定功能可組態實現系統的各種功能應用。840D系統由SIMODRIVE 611D數字驅動系統和SIMATIC S7控制系統一起構成全數字式控制系統。平臺系統由數控核心單元NCU、人機交互MMC和可編程邏輯控制器PLC三個具有獨立CPU工作的單元部件組成，控制功能通過這3個功能部件互相協作實現。系統為數控技術的全方面應用提供一個可開發的系統平臺［4］。系統平臺關系原理可表示為圖1所示。

圖中3個部件除了獨立完成各自的功能和互相協作之外，系統還分別為這3個獨立功能，提供二次開發接口技術，其中NCU提供了強大的G代碼編程開發;PLC通過STEP7開發控制功能;MMC則為用戶提供了專用的高級語言，實現軟件的OEM二次開發，通過這3個二次開發接口，用戶可以開發出適合自己的專用功能［5］。

2 超長工件加工過程的監控原理

2.1 多功能部件協作機理

超長工件的加工需要多個功能部件的控制與系統狀態監控，其中包括進給軸的定位控制、伺服軸為實現超長工件的不間斷進給進行的規劃控制、多主軸整形加工過程的自動定位、輔助系統的復雜邏輯控制、刀具庫管理和運行數據管理等。而且在加工過程中多方面的系統功能及控制狀態監控更需要互相協作。為了實現超長工件這種多軸和多功能部件的互相協作要求，以840D系統為平臺的控制系統框架下，可用圖2所示的控制協作方案，實現對多功能部件實現協作控制［6］。

圖中對伺服軸的控制與驅動通過NCU單元的核心功能部件NCK控制實現，而軸的運動規劃和與邏輯運動控制通過運行在MMC的監控軟件HMI和PLC共同完成，其中輔助系統的邏輯控制由PLC單獨完成控制;加工過程的數據管理與過程狀態監控由監控軟件HMI完成。其中HMI通過840D系統提供的DDE軟件接口與NCK的R參數實現數據交互，需要的數控系統參數也通過DDE完成參數載入;同樣，HMI與PLC的數據交互也是通過DDE方式實現數據的交互。

以伺服進給軸的電流為例，通過DDE的方式建立數據交互的具體格式可表示為:

其中lblCurrSDDE表示一個綁定DDE的控件。

NCK與PLC的數據交互以NCK中的$A_DDB寄存器作為交互共同空間。PLC與NCK的NC參數之間通過調用FB2和FB3函數功能塊，實現參數交互;而實時的數據交互，通過調用FC21函數實現。綜合上述協作原理分析，由于PLC是針對特定機床點的邏輯關系，開發對應的程序，這樣的開發應用方式已經非常廣泛，而NCK中驅動伺服通過脈沖控制，控制方法由伺服驅動器完成，這個環節只需要編制相關驅動的G代碼程序即可實現。因此實現整個機床裝備的功能監控，都落實到HMI軟件的研究和開發上，而軟件的核心主要包括與NCK實時交互數據庫和主軸的自動定位方法兩個方面。

2.2 監控實時庫的構建

實時數據庫是針對數據實時性和事務實時性，而采取的一種用來實現對實時數據進行管理的一種數據庫技術。在超長工件的加工過程中，實時控制功能實現需要如下數據管理:對進給軸運行位置的實時規劃控制、對機床運行狀態的實時監控、報警信息的管理等。在與人機過程交互中，必須響應操作人員請求和相關信息提示。針對這些要求，圖3中給出了監控加工設備的控制實時數據庫的構造。

圖中表示實時數據庫的數據來源、參數數據管理與數據應用，其中與NCK交互的實時數據庫主要負責與R寄存器和NCVAR交互數據使用，與PLC交互數據的實時庫，負責與PLC的軟元件交互數據，該數據的交互都以連續內存方式交互數據，具體交互的PLC軟元件再由PLC做二次映像。這兩塊內存數據的更新采用定時輪詢的方式進行，時間片可以控制在10 ms為更新周期;刀具參數庫和主軸定位數據庫則由參數組成，該參數庫由參數一次載入，參數修改時以請求方式更新;機床本體狀態實時庫和加工狀態庫由系統、交互數據及邏輯再運算實時產生，其中實時數據分模擬量、開關量和報警量3種類型;報警實時數據由機床本體狀態實時數據和加工狀態實時數據產生，用于與操作人員的直接交互。

2.3 主軸自動定位

在超長工件的加工控制過程中，主軸自動定位是多軸協作的一個典型控制過程，圖4給出了這個自動控制過程的流程原理。主軸定位過程是多個實時數據庫相互協作作用的結果，從刀具參數數據庫的載入到自動定位的完成，都由實時數據庫直接與PLC和NCK交互數據，實現對主軸的定位控制。

2.4 監控系統開發實現流程

針對超長工件加工的特點，基于所構建的多功能協作方法和實時數據庫的構建原理，圍繞以840D系統為平臺的OEM開發方法，可把監控系統的HMI軟件開發實現步驟描述如下:

(1)NCK交互接口建立，在NCK中運行具有帶同步編程控制的IDS語句用于R參數和$A_DDB寄存器的數據交互通訊。

(2)在PLC上建立FB2、FB3交互的功能塊函數，實現對多功能協作中與PLC的數據交互。

(3)在MMC上建立實時數據庫刀具參數、主軸定位數據庫所需要的參數文件，數據以.INI文件進行組織。

(4)應用高級語言Visual Studio工具，開發監控軟件，應用Visual Studio中C++工具開發語言動態庫接口，應用Visual Studio中Basic工具對監控的畫面進行開發。

(5)監控軟件的840D系統集成，依據840D環境要求，安裝對應的管理文件REGINI。

3 應用實例

依據上述給出的多軸協作原理、實時數據庫構建方法和主軸定位方法，以500 m超長舊鋼軌多工位整形加工中的應用為開發對象，開發了一套如圖5所示的整形加工監控系統。該系統以840D系統為核心，通過對PLC和NCK具體的加工要求定制相應程序;然后以840D OEM為開發支撐平臺，應用Visual Basic和Visual C++混合編程工具，構建核心實時數據庫，在此基礎上開發出了具有多窗體的應用程序，每一個窗體對應一個監控界面。根據超長鋼軌加工的監控要求，開發了包括整體監控、主軸監控、參數庫設定和主軸定位等5個監控界面，具體包括:

(1)整體監控界面。如圖5所示，顯示機床裝備的整體運行信息，包括裝夾狀態信息，各油站、油缸的工作狀態，監控各種加工模式、工件狀態、回參考點、主軸定位完成信息等。

(2)主軸監控界面。機床在加工過程中，需要實時監控主軸工作狀態，以分析刀具的磨損情況，過度磨損的刀具不僅會影響工件的加工質量，還會對刀盤造成傷害，該監控界面完成實時顯示各主軸的電流、功率及刀具磨損狀態等。

(3)參數管理界面。參數包括刀具定位坐標、刀具加工壽命，采用的切削用量等加工參數，每把刀具對應一組不同的參數，從而實現刀具庫參數的管理。

(4)主軸定位控制界面。在參數管理設定頁面，操作人員選擇了刀具號后，系統自動獲取刀具的定位信息。在主軸定位頁面，顯示了坐標軸的當前位置和定位坐標，操作員的對刀請求命令，可實現自動對刀操作，而不需要對超長工件加工過程的復雜對刀。

在實際的應用中，經過測試該監控系統的性能達到如下指標:機床狀態信號1 s;機床位置坐標，電動機電流等模擬量信號500 ms;數控系統報警信號500 ms，系統操作控制請求響應時間200 ms;系統可實現多主軸自動對刀;進給系統在協作實時數據庫協調下，可實現持續不間斷進給控制。通過具體的應用和性能測試結果表明，給出的多功能協作的監控技術在超長工件加工控制中應用的可行性。

4 結語

本文針對超長工件在數控平臺上完成多個工位及其功能體監控的技術要求，以SINUMERIK 840D數控系統為控制平臺，設計了超長工件多軸協作的控制實現原理，給出了加工過程監控系統的實時數據庫構建方法和主軸自動定位控制原理，給出了監控系統中各功能部件在數控平臺上實現步驟，通過應用Visual Studio和840D OEM為混合工具，開發實現了基于數控平臺的超長工件監控系統，以500 m超長鋼軌的加工控制為應用實例，驗證了給出的監控技術在超長工件加工控制中應用的可行性。

［1］張浩然，張人佶，顏永年，等.重型裝備中坎合因數影響因素的實驗研究［J］.中國機械工程，2009(12):2824 －2827.

［2］李那，盧遠廷，張鳳戈.重力對大型細長工件加工與測量的影響［J］.齊齊哈爾大學學報，2007，23(2):87 －88.

［3］王順軍，李伯奎.銑床上較長工件的裝夾加工［J］.機床與液壓，2010，38(10):115 －115.

［4］李靜，吳鋼華，沈南燕，等.西門子SINUMERIK 840D數控系統中控制軟件的開發［J］.精密制造與自動化，2007(4):33－35.

［5］高峰.西門子OEM軟件在數控凸輪軸磨床上的開發與應用［J］.制造技術與機床，2006(10):122－125.

［6］SINUMERIK 840D/810DI/SINUMERIK 810D/FM －NC HMI Programming package part i user manual edition［Z］.3003.