SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)的PLC智能控制方法

李昊男

摘 要：SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速分別由控制面板的進(jìn)給倍率旋鈕與主軸倍率旋鈕控制，速度調(diào)節(jié)依賴(lài)操作人員經(jīng)驗(yàn)，加工過(guò)程隨機(jī)、保守。文章針對(duì)機(jī)床利用效率低的問(wèn)題，對(duì)SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進(jìn)行改進(jìn)。新改進(jìn)的智能加工系統(tǒng)PLC模塊主要完成接收工控機(jī)發(fā)送的控制指令，并將系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)及指令發(fā)送至工控機(jī)，同時(shí)在線調(diào)整數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中進(jìn)給倍率或主軸倍率，實(shí)現(xiàn)切削力的在線優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該改造后的智能加工系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地在線調(diào)節(jié)進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機(jī)床在加工過(guò)程中切削力保持在設(shè)定的穩(wěn)態(tài)。

關(guān)鍵詞：SINUMERIK 802Dsl；PLC；智能加工；速度倍率調(diào)整

引言

SINUMERIK 802Dsl采用集成型PLC，將數(shù)控系統(tǒng)中的所有模塊（CNC，PLC和HMI）都集成在同一控制單元中[1]。數(shù)控系統(tǒng)中PLC模塊主要完成機(jī)床控制中與邏輯運(yùn)算有關(guān)的動(dòng)作，同時(shí)接收機(jī)床操作面板的指令。PLC模塊對(duì)機(jī)床動(dòng)作沒(méi)有軌跡上的具體要求，加工過(guò)程中PLC也可將某些指令送往CNC用于加工過(guò)程的控制。

目前，數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中倍率控制由人工操作，加工效率與加工質(zhì)量主要依賴(lài)操作人員經(jīng)驗(yàn)，因此加工過(guò)程隨機(jī)、保守，不能最大程度利用機(jī)床，也不能根據(jù)瞬時(shí)工況實(shí)時(shí)調(diào)整。文章針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)SINUMERIK 802Dsl的PLC模塊進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)給與轉(zhuǎn)速，最大效率地使用機(jī)床，避免資源浪費(fèi)。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床最大程度的利用，針對(duì)SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進(jìn)行改進(jìn)，如圖1中虛線框所示。新改進(jìn)的智能加工系統(tǒng)PLC模塊主要完成機(jī)床加工過(guò)程中進(jìn)給倍率或主軸倍率的在線調(diào)整，接收工控機(jī)發(fā)送的控制指令，并將系統(tǒng)相關(guān)指令及數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)。

1.1 倍率在線控制原理

智能加工系統(tǒng)啟動(dòng)后，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)，PLC模塊接收信號(hào)后向工控機(jī)發(fā)送數(shù)控系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)信息（包括進(jìn)給倍率、進(jìn)給速度、主軸倍率及主軸轉(zhuǎn)速），同時(shí)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中的切削力。調(diào)節(jié)模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)所得實(shí)際切削力與設(shè)定切削力對(duì)比分析計(jì)算倍率修正值，倍率修正值自工控機(jī)輸出，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換板發(fā)送至PLC 模塊，PLC模塊啟動(dòng)相應(yīng)程序?qū)崟r(shí)在線控制切削參數(shù)，確保實(shí)際切削力保持在設(shè)定切削力值附近。信號(hào)轉(zhuǎn)換板完成工控機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)之間的信號(hào)格式轉(zhuǎn)換。倍率在線控制原理如圖1所示。

SINUMERIK 802Dsl通過(guò)格雷碼控制進(jìn)給倍率與主軸倍率，進(jìn)給倍率對(duì)應(yīng)的格雷碼為5位，其對(duì)應(yīng)第一個(gè)PP72/48模塊（總線地址：9）輸入端口地址為I7.4、I7.5、I7.6、I7.7、I8.0，主軸倍率格雷碼為4位，其對(duì)應(yīng)輸入端口地址為I7.0、I7.1、I7.2、I7.3[2]。倍率值與格雷碼的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1、表2所示。

表1 進(jìn)給倍率值轉(zhuǎn)換表

表2 主軸倍率值轉(zhuǎn)換表

在線調(diào)整進(jìn)給倍率或主軸倍率，其主要依據(jù)實(shí)際加工切削力的狀況。若實(shí)際切削力比設(shè)定切削力大，則減小倍率，反之，則增大倍率，若實(shí)際切削力與設(shè)定切削力大致相等，則保持倍率不變。表1、表2所列的進(jìn)給倍率值及主軸倍率值為倍率修正值的可調(diào)整值，若計(jì)算的理論倍率修正值與上述值不相等，則采用近似原則從上表中選擇相應(yīng)的倍率值。

1.2 主程序設(shè)計(jì)及參數(shù)定義

主程序接收由工控機(jī)發(fā)送的指令，包括選擇啟動(dòng)系統(tǒng)（智能/原始系統(tǒng)）、設(shè)置修正進(jìn)給倍率、設(shè)置修正主軸倍率、獲取名義進(jìn)給、獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率、獲取名義速度、獲取當(dāng)前主軸倍率，指令及對(duì)應(yīng)控制功能如表3所示。

表3 指令及對(duì)應(yīng)控制功能

數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)后，工控機(jī)首先向PLC模塊發(fā)送指令A(yù)8，啟動(dòng)智能加工系統(tǒng)，同時(shí)主程序啟動(dòng)，此時(shí)控制面板進(jìn)給倍率旋鈕及主軸倍率旋鈕對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制作用失效。系統(tǒng)將控制面板對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)原有進(jìn)給倍率值傳輸至NCK通道、坐標(biāo)軸和主軸，避免啟動(dòng)智能加工系統(tǒng)初期，工控機(jī)未向PLC模塊發(fā)送倍率值時(shí)出現(xiàn)的“控制面板接線故障”報(bào)警信息[3]。程序正常運(yùn)行后，由IO接口輸入的二進(jìn)制修正倍率格雷碼將會(huì)覆蓋原有系統(tǒng)倍率格雷碼，調(diào)整進(jìn)給速度或主軸轉(zhuǎn)速。輸入A7指令，退出智能加工系統(tǒng)并啟動(dòng)原始系統(tǒng)，恢復(fù)控制面板倍率旋鈕對(duì)機(jī)床的控制作用。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，若工控機(jī)未向PLC模塊發(fā)送啟動(dòng)系統(tǒng)指令A(yù)7或A8，默認(rèn)啟動(dòng)原始系統(tǒng)。程序運(yùn)行中出現(xiàn)異常情況時(shí)，送往通道的進(jìn)給停止信號(hào)（V32000006.0）激活，系統(tǒng)急停以避免意外發(fā)生。在排除異常情況后，按復(fù)位鍵消除進(jìn)給保持，系統(tǒng)繼續(xù)正常工作[4]。

802Dsl提供了一個(gè)512字節(jié)的公共存儲(chǔ)器（V49000000.0～V4900000512.7）用于NC和PLC交換數(shù)據(jù)，加工程序中可以利用系統(tǒng)變量對(duì)該存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)[5]。文章利用公共存儲(chǔ)器中未被系統(tǒng)使用的地址進(jìn)行NC與PLC的數(shù)據(jù)交換，具體使用的地址定義如表4所示。

表4 NC-PLC公共存儲(chǔ)器使用地址定義

1.3 指令/數(shù)據(jù)傳輸

擴(kuò)展的第二個(gè)PP72/48模塊[1]（總線地址：8）中，程序使用的數(shù)據(jù)輸入及輸出端口地址定義如表5所示。

表5 第二個(gè) PP72/48模塊

指令及數(shù)據(jù)輸入由端口IB9輸入，輸出由端口QB6輸出，發(fā)送順序?yàn)橄劝l(fā)送指令，系統(tǒng)接收完成后再發(fā)送該指令對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。工控機(jī)及PLC模塊在檢測(cè)接收方處于空閑狀態(tài)時(shí)發(fā)送指令或數(shù)據(jù)，否則排隊(duì)等待。

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改進(jìn)PLC模塊中包含六個(gè)子程序，分別實(shí)現(xiàn)表3所示A1～A6六個(gè)指令的相應(yīng)功能。主程序啟動(dòng)后，工控機(jī)根據(jù)加工狀況向PLC模塊發(fā)送指令，PLC模塊接收指令后調(diào)用相應(yīng)子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)功能[8]。

2.1 進(jìn)給倍率控制子程序（Feedrate Override Control）

根據(jù)系統(tǒng)采集的實(shí)際切削力與設(shè)定的切削力比較分析，由工控機(jī)倍率模塊計(jì)算得出進(jìn)給倍率修正最優(yōu)值。在工控機(jī)發(fā)送設(shè)置修正進(jìn)給倍率指令（A1）之前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送進(jìn)給倍率控制指令I(lǐng)B9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1，當(dāng)工控機(jī)檢測(cè)到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進(jìn)給倍率格雷碼，VB49000032存儲(chǔ)由IB9輸入的進(jìn)給倍率格雷碼，PLC將接收的進(jìn)給倍率格雷碼送至各坐標(biāo)軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進(jìn)給倍率，達(dá)到加工過(guò)程中自動(dòng)控制進(jìn)給倍率的目的。

2.2 主軸倍率控制子程序（Spindle Override Control）

工控機(jī)倍率模塊計(jì)算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進(jìn)給倍率控制子程序的數(shù)據(jù)傳輸方式相同，不同之處在于設(shè)置修正主軸倍率指令為A2，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送的進(jìn)給倍率格雷碼存放于公共存儲(chǔ)器地址VB49000033。一般地，加工過(guò)程中調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，工件表面質(zhì)量無(wú)法保證，同時(shí)刀具會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預(yù)知的損壞。因此，實(shí)際加工過(guò)程中尤其在精加工時(shí)，不采用調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進(jìn)給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動(dòng)改進(jìn)PLC模塊進(jìn)行在線控制時(shí)，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進(jìn)給速度[6]。將F值存入公共存儲(chǔ)器。如NC代碼中進(jìn)給速度為F500時(shí)，在此語(yǔ)句后寫(xiě)入語(yǔ)句$A_DBW[34]=500，此時(shí)F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當(dāng)前NC代碼設(shè)置的進(jìn)給速度。在工控機(jī)發(fā)送獲取名義進(jìn)給速度指令（A3）前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送指令I(lǐng)B9=A3，PLC模塊接收指令完畢后令相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測(cè)工控機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，PLC系統(tǒng)首先向工控機(jī)發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進(jìn)給速度，工控機(jī)接收發(fā)送指令A(yù)3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志位I10.4=1，PLC檢測(cè)到I10.4置位后，即可向工控機(jī)發(fā)送進(jìn)給速度。由于進(jìn)給速度為16位數(shù)據(jù)，而PLC輸出接口QB6只能輸出8位，因此將數(shù)據(jù)分低8位和高8位分別傳輸，工控機(jī)接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進(jìn)給速度。

2.4 獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率格雷碼子程序（Acquire Current Spindle Override Gray Code）

啟動(dòng)改進(jìn)PLC模塊進(jìn)行在線控制時(shí)，工控機(jī)根據(jù)需要獲取數(shù)控機(jī)床加工當(dāng)前進(jìn)給倍率值，此時(shí)需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求指令。在工控機(jī)發(fā)送獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率指令（A4）前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC系統(tǒng)發(fā)送指令I(lǐng)B9=A4，PLC系統(tǒng)接收指令完畢后相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測(cè)工控機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，PLC系統(tǒng)首先向工控機(jī)發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進(jìn)給倍率格雷碼，工控機(jī)接收發(fā)送指令A(yù)4后，工控機(jī)讀數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志位I10.4=1，PLC檢測(cè)到I10.4置位，由送至NCK通道信號(hào)地址VB32000004獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機(jī)發(fā)送，工控機(jī)接收并存儲(chǔ)。

2.5 獲取名義轉(zhuǎn)速子程序（Acquire Spindle Rate）

智能系統(tǒng)加工過(guò)程中， PLC模塊需獲得NC代碼中的名義主軸轉(zhuǎn)速。獲取名義轉(zhuǎn)速與獲取名義進(jìn)給速度方法相似。其不同之處在于獲取名義轉(zhuǎn)速指令為A5，公共存儲(chǔ)器中存放名義轉(zhuǎn)速的地址為VW49000036，即NC代碼中系統(tǒng)變量語(yǔ)句為$A_DBW。

2.6 獲取當(dāng)前主軸倍率格雷碼子程序（Acquire Current Feedrate Override Gray Code）

智能系統(tǒng)加工過(guò)程中， PLC模塊根據(jù)需要獲取機(jī)床加工當(dāng)前主軸倍率。獲取當(dāng)前主軸倍率與獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率方法相同，不同之處在于獲取當(dāng)前主軸倍率指令為A6，當(dāng)前主軸倍率格雷碼由送至主軸信號(hào)地址VB38032003獲取。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)智能加工系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性，制定如下實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。因調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切寬改變時(shí)，通過(guò)進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設(shè)定切削力值附近。實(shí)驗(yàn)儀器為：YHVT850Z四坐標(biāo)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Kistler三向測(cè)力儀、電荷放大器及工控機(jī)，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機(jī)

圖2 實(shí)驗(yàn)條件

加工工件為6061-Tb51鋁合金，刀具為硬質(zhì)合金刀具，直徑為φ20mm，齒數(shù)為3齒，螺旋角30°，加工方式為端銑，無(wú)切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時(shí)間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時(shí)切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進(jìn)給倍率40%，主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，主軸倍率為100%。當(dāng)利用智能加工系統(tǒng)進(jìn)行切削力控制時(shí)，設(shè)定最大進(jìn)給倍率120%，通過(guò)控制進(jìn)給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過(guò)實(shí)際加工得到如圖3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果圖3可以看出，改進(jìn)的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過(guò)程中，能夠快速、準(zhǔn)確地在線調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，將最大切削力F控制在設(shè)定切削力500N附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的最大程度利用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在數(shù)控加工過(guò)程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機(jī)發(fā)送的進(jìn)給倍率修正值及主軸倍率修正值，實(shí)現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機(jī)床在加工過(guò)程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，外部工控機(jī)可通過(guò)PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進(jìn)給速度、名義轉(zhuǎn)速、當(dāng)前進(jìn)給倍率及當(dāng)前主軸倍率。

改造后的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊仍然采用倍率格雷碼調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，控制過(guò)程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進(jìn)系統(tǒng)在加工過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，加工過(guò)程理性規(guī)范，不再依賴(lài)于加工人員經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

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2.1 進(jìn)給倍率控制子程序（Feedrate Override Control）

根據(jù)系統(tǒng)采集的實(shí)際切削力與設(shè)定的切削力比較分析，由工控機(jī)倍率模塊計(jì)算得出進(jìn)給倍率修正最優(yōu)值。在工控機(jī)發(fā)送設(shè)置修正進(jìn)給倍率指令（A1）之前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送進(jìn)給倍率控制指令I(lǐng)B9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1，當(dāng)工控機(jī)檢測(cè)到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進(jìn)給倍率格雷碼，VB49000032存儲(chǔ)由IB9輸入的進(jìn)給倍率格雷碼，PLC將接收的進(jìn)給倍率格雷碼送至各坐標(biāo)軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進(jìn)給倍率，達(dá)到加工過(guò)程中自動(dòng)控制進(jìn)給倍率的目的。

2.2 主軸倍率控制子程序（Spindle Override Control）

工控機(jī)倍率模塊計(jì)算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進(jìn)給倍率控制子程序的數(shù)據(jù)傳輸方式相同，不同之處在于設(shè)置修正主軸倍率指令為A2，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送的進(jìn)給倍率格雷碼存放于公共存儲(chǔ)器地址VB49000033。一般地，加工過(guò)程中調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，工件表面質(zhì)量無(wú)法保證，同時(shí)刀具會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預(yù)知的損壞。因此，實(shí)際加工過(guò)程中尤其在精加工時(shí)，不采用調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進(jìn)給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動(dòng)改進(jìn)PLC模塊進(jìn)行在線控制時(shí)，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進(jìn)給速度[6]。將F值存入公共存儲(chǔ)器。如NC代碼中進(jìn)給速度為F500時(shí)，在此語(yǔ)句后寫(xiě)入語(yǔ)句$A_DBW[34]=500，此時(shí)F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當(dāng)前NC代碼設(shè)置的進(jìn)給速度。在工控機(jī)發(fā)送獲取名義進(jìn)給速度指令（A3）前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送指令I(lǐng)B9=A3，PLC模塊接收指令完畢后令相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測(cè)工控機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，PLC系統(tǒng)首先向工控機(jī)發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進(jìn)給速度，工控機(jī)接收發(fā)送指令A(yù)3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志位I10.4=1，PLC檢測(cè)到I10.4置位后，即可向工控機(jī)發(fā)送進(jìn)給速度。由于進(jìn)給速度為16位數(shù)據(jù)，而PLC輸出接口QB6只能輸出8位，因此將數(shù)據(jù)分低8位和高8位分別傳輸，工控機(jī)接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進(jìn)給速度。

2.4 獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率格雷碼子程序（Acquire Current Spindle Override Gray Code）

啟動(dòng)改進(jìn)PLC模塊進(jìn)行在線控制時(shí)，工控機(jī)根據(jù)需要獲取數(shù)控機(jī)床加工當(dāng)前進(jìn)給倍率值，此時(shí)需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求指令。在工控機(jī)發(fā)送獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率指令（A4）前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC系統(tǒng)發(fā)送指令I(lǐng)B9=A4，PLC系統(tǒng)接收指令完畢后相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測(cè)工控機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，PLC系統(tǒng)首先向工控機(jī)發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進(jìn)給倍率格雷碼，工控機(jī)接收發(fā)送指令A(yù)4后，工控機(jī)讀數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志位I10.4=1，PLC檢測(cè)到I10.4置位，由送至NCK通道信號(hào)地址VB32000004獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機(jī)發(fā)送，工控機(jī)接收并存儲(chǔ)。

2.5 獲取名義轉(zhuǎn)速子程序（Acquire Spindle Rate）

智能系統(tǒng)加工過(guò)程中， PLC模塊需獲得NC代碼中的名義主軸轉(zhuǎn)速。獲取名義轉(zhuǎn)速與獲取名義進(jìn)給速度方法相似。其不同之處在于獲取名義轉(zhuǎn)速指令為A5，公共存儲(chǔ)器中存放名義轉(zhuǎn)速的地址為VW49000036，即NC代碼中系統(tǒng)變量語(yǔ)句為$A_DBW。

2.6 獲取當(dāng)前主軸倍率格雷碼子程序（Acquire Current Feedrate Override Gray Code）

智能系統(tǒng)加工過(guò)程中， PLC模塊根據(jù)需要獲取機(jī)床加工當(dāng)前主軸倍率。獲取當(dāng)前主軸倍率與獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率方法相同，不同之處在于獲取當(dāng)前主軸倍率指令為A6，當(dāng)前主軸倍率格雷碼由送至主軸信號(hào)地址VB38032003獲取。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)智能加工系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性，制定如下實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。因調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切寬改變時(shí)，通過(guò)進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設(shè)定切削力值附近。實(shí)驗(yàn)儀器為：YHVT850Z四坐標(biāo)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Kistler三向測(cè)力儀、電荷放大器及工控機(jī)，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機(jī)

圖2 實(shí)驗(yàn)條件

加工工件為6061-Tb51鋁合金，刀具為硬質(zhì)合金刀具，直徑為φ20mm，齒數(shù)為3齒，螺旋角30°，加工方式為端銑，無(wú)切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時(shí)間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時(shí)切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進(jìn)給倍率40%，主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，主軸倍率為100%。當(dāng)利用智能加工系統(tǒng)進(jìn)行切削力控制時(shí)，設(shè)定最大進(jìn)給倍率120%，通過(guò)控制進(jìn)給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過(guò)實(shí)際加工得到如圖3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果圖3可以看出，改進(jìn)的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過(guò)程中，能夠快速、準(zhǔn)確地在線調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，將最大切削力F控制在設(shè)定切削力500N附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的最大程度利用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在數(shù)控加工過(guò)程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機(jī)發(fā)送的進(jìn)給倍率修正值及主軸倍率修正值，實(shí)現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機(jī)床在加工過(guò)程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，外部工控機(jī)可通過(guò)PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進(jìn)給速度、名義轉(zhuǎn)速、當(dāng)前進(jìn)給倍率及當(dāng)前主軸倍率。

改造后的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊仍然采用倍率格雷碼調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，控制過(guò)程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進(jìn)系統(tǒng)在加工過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，加工過(guò)程理性規(guī)范，不再依賴(lài)于加工人員經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1]SINUMERIC 802DSL簡(jiǎn)明調(diào)試手冊(cè)[Z].西門(mén)子（中國(guó)）有限公司，2008，1.

[2]賴(lài)思琦，黃恒.基于PLC的FANUC系統(tǒng)速度倍率控制研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（2）：56-58.

[3]陳興武，蔣新華，徐均攀.應(yīng)用軟PLC開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床的功能控制[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，44（5）：654-657.

[4]許振偉，駱再飛，蔣靜坪.PLC在數(shù)控銑床電氣控制中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2002，6：185-186

[5]冉雪蓮.基于802DSL數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫(kù)自動(dòng)換刀程序設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012，3：144-147

[6]李紀(jì)三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機(jī)床功能控制中的應(yīng)用[J].機(jī)床電器，2008，2：12-14.

2.1 進(jìn)給倍率控制子程序（Feedrate Override Control）

根據(jù)系統(tǒng)采集的實(shí)際切削力與設(shè)定的切削力比較分析，由工控機(jī)倍率模塊計(jì)算得出進(jìn)給倍率修正最優(yōu)值。在工控機(jī)發(fā)送設(shè)置修正進(jìn)給倍率指令（A1）之前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送進(jìn)給倍率控制指令I(lǐng)B9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1，當(dāng)工控機(jī)檢測(cè)到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進(jìn)給倍率格雷碼，VB49000032存儲(chǔ)由IB9輸入的進(jìn)給倍率格雷碼，PLC將接收的進(jìn)給倍率格雷碼送至各坐標(biāo)軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進(jìn)給倍率，達(dá)到加工過(guò)程中自動(dòng)控制進(jìn)給倍率的目的。

2.2 主軸倍率控制子程序（Spindle Override Control）

工控機(jī)倍率模塊計(jì)算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進(jìn)給倍率控制子程序的數(shù)據(jù)傳輸方式相同，不同之處在于設(shè)置修正主軸倍率指令為A2，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送的進(jìn)給倍率格雷碼存放于公共存儲(chǔ)器地址VB49000033。一般地，加工過(guò)程中調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，工件表面質(zhì)量無(wú)法保證，同時(shí)刀具會(huì)產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預(yù)知的損壞。因此，實(shí)際加工過(guò)程中尤其在精加工時(shí)，不采用調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進(jìn)給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動(dòng)改進(jìn)PLC模塊進(jìn)行在線控制時(shí)，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進(jìn)給速度[6]。將F值存入公共存儲(chǔ)器。如NC代碼中進(jìn)給速度為F500時(shí)，在此語(yǔ)句后寫(xiě)入語(yǔ)句$A_DBW[34]=500，此時(shí)F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當(dāng)前NC代碼設(shè)置的進(jìn)給速度。在工控機(jī)發(fā)送獲取名義進(jìn)給速度指令（A3）前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC模塊發(fā)送指令I(lǐng)B9=A3，PLC模塊接收指令完畢后令相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測(cè)工控機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，PLC系統(tǒng)首先向工控機(jī)發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進(jìn)給速度，工控機(jī)接收發(fā)送指令A(yù)3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志位I10.4=1，PLC檢測(cè)到I10.4置位后，即可向工控機(jī)發(fā)送進(jìn)給速度。由于進(jìn)給速度為16位數(shù)據(jù)，而PLC輸出接口QB6只能輸出8位，因此將數(shù)據(jù)分低8位和高8位分別傳輸，工控機(jī)接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進(jìn)給速度。

2.4 獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率格雷碼子程序（Acquire Current Spindle Override Gray Code）

啟動(dòng)改進(jìn)PLC模塊進(jìn)行在線控制時(shí)，工控機(jī)根據(jù)需要獲取數(shù)控機(jī)床加工當(dāng)前進(jìn)給倍率值，此時(shí)需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求指令。在工控機(jī)發(fā)送獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率指令（A4）前，需檢測(cè)PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，工控機(jī)向PLC系統(tǒng)發(fā)送指令I(lǐng)B9=A4，PLC系統(tǒng)接收指令完畢后相應(yīng)標(biāo)志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測(cè)工控機(jī)狀態(tài)，當(dāng)其處于空閑時(shí)，PLC系統(tǒng)首先向工控機(jī)發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進(jìn)給倍率格雷碼，工控機(jī)接收發(fā)送指令A(yù)4后，工控機(jī)讀數(shù)據(jù)完畢標(biāo)志位I10.4=1，PLC檢測(cè)到I10.4置位，由送至NCK通道信號(hào)地址VB32000004獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機(jī)發(fā)送，工控機(jī)接收并存儲(chǔ)。

2.5 獲取名義轉(zhuǎn)速子程序（Acquire Spindle Rate）

智能系統(tǒng)加工過(guò)程中， PLC模塊需獲得NC代碼中的名義主軸轉(zhuǎn)速。獲取名義轉(zhuǎn)速與獲取名義進(jìn)給速度方法相似。其不同之處在于獲取名義轉(zhuǎn)速指令為A5，公共存儲(chǔ)器中存放名義轉(zhuǎn)速的地址為VW49000036，即NC代碼中系統(tǒng)變量語(yǔ)句為$A_DBW。

2.6 獲取當(dāng)前主軸倍率格雷碼子程序（Acquire Current Feedrate Override Gray Code）

智能系統(tǒng)加工過(guò)程中， PLC模塊根據(jù)需要獲取機(jī)床加工當(dāng)前主軸倍率。獲取當(dāng)前主軸倍率與獲取當(dāng)前進(jìn)給倍率方法相同，不同之處在于獲取當(dāng)前主軸倍率指令為A6，當(dāng)前主軸倍率格雷碼由送至主軸信號(hào)地址VB38032003獲取。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)智能加工系統(tǒng)的可靠性及準(zhǔn)確性，制定如下實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。因調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切寬改變時(shí)，通過(guò)進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設(shè)定切削力值附近。實(shí)驗(yàn)儀器為：YHVT850Z四坐標(biāo)數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Kistler三向測(cè)力儀、電荷放大器及工控機(jī)，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機(jī)

圖2 實(shí)驗(yàn)條件

加工工件為6061-Tb51鋁合金，刀具為硬質(zhì)合金刀具，直徑為φ20mm，齒數(shù)為3齒，螺旋角30°，加工方式為端銑，無(wú)切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時(shí)間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時(shí)切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進(jìn)給倍率40%，主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，主軸倍率為100%。當(dāng)利用智能加工系統(tǒng)進(jìn)行切削力控制時(shí)，設(shè)定最大進(jìn)給倍率120%，通過(guò)控制進(jìn)給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過(guò)實(shí)際加工得到如圖3所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果圖3可以看出，改進(jìn)的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過(guò)程中，能夠快速、準(zhǔn)確地在線調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，將最大切削力F控制在設(shè)定切削力500N附近。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的最大程度利用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在數(shù)控加工過(guò)程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機(jī)發(fā)送的進(jìn)給倍率修正值及主軸倍率修正值，實(shí)現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機(jī)床在加工過(guò)程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，外部工控機(jī)可通過(guò)PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進(jìn)給速度、名義轉(zhuǎn)速、當(dāng)前進(jìn)給倍率及當(dāng)前主軸倍率。

改造后的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊仍然采用倍率格雷碼調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速，控制過(guò)程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進(jìn)系統(tǒng)在加工過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)給速度及主軸轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，加工過(guò)程理性規(guī)范，不再依賴(lài)于加工人員經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻(xiàn)

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[3]陳興武，蔣新華，徐均攀.應(yīng)用軟PLC開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床的功能控制[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，44（5）：654-657.

[4]許振偉，駱再飛，蔣靜坪.PLC在數(shù)控銑床電氣控制中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2002，6：185-186

[5]冉雪蓮.基于802DSL數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫(kù)自動(dòng)換刀程序設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012，3：144-147

[6]李紀(jì)三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機(jī)床功能控制中的應(yīng)用[J].機(jī)床電器，2008，2：12-14.