西門子840D五軸龍門銑床刀具定向方向手輪干預功能的實現

關為群

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

緒論

本文將簡單描述五軸龍門銑床的機械結構，以及機床的數控控制系統西門子SINUMERIK 840D的主要系統構成，并從NC機床數據、NC程序和PLC等方面詳細闡述6軸功能的實現過程。

1 五軸龍門銑床簡介及數控系統構成

1.1 五軸龍門銑床簡介

五軸聯動數控機床是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復雜曲面的機床，這種機床系統對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等等行業有著舉足輕重的影響力。目前，五軸聯動數控機床系統是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等等加工的唯一手段。

裝備制造業是一國工業之基石，它為新技術、新產品的開發和現代工業生產提供重要的手段，是不可或缺的戰略性產業。即使是發達工業化國家，也無不高度重視。隨著我國國民經濟迅速發展和國防建設的需要，對高檔的數控機床提出了迫切的大量需求。機床是一個國家制造業水平的象征。而代表機床制造業最高境界的是五軸聯動數控機床系統，從某種意義上說，它反映了一個國家的工業發展水平狀況。長期以來，以美國為首的西方工業發達國家，一直把五軸聯動數控機床系統作為重要的戰略物資，實行出口許可證制度。特別是冷戰時期，對中國、前蘇聯等社會主義陣營實行封鎖禁運。愛好軍事的朋友可能知道著名的“東芝事件”：上世紀末，日本東芝公司賣給前蘇聯幾臺五軸聯動的數控銑床，結果讓前蘇聯用于制造潛艇的推進螺旋槳，上了幾個檔次，使美國間諜船的聲納監聽不到潛艇的聲音了，所以美國以東芝公司違反了戰略物資禁運政策，要懲處東芝公司。

該五軸龍門銑床主要由幾何軸X1、X2、Y、Z，旋轉軸C、A以及主軸SP等構成，主要用于汽車模具的加工，機床的外觀見下圖：

圖1

1.2 數控系統構成

數控系統采用西門子 SINUMERIK 840D＋611D驅動＋1PH7+1FT6+1FK7電機控制，能實現5軸控制和5坐標聯動。該系統功能強大，可開發性強，選擇該數控系統完全可以滿足本機床的控制要求。

SINUMERIK 810D/840D 是由數控及驅動單元（CCU 或NCU），PCU 及 OP0xx，PLC 的 I/O 模塊三部分組成。

由于在集成系統時，總是將 SIMODRIVE 611D 驅動和數控單元（CCU 或 NCU）并排放在一起，并用設備總線互相連接，因此在說明時將二者劃歸一處。

PCU 及 OP0xx 包括：OP (Operation panel）單元，PCU 20/50/70，MCP(Machine Control Panel）三部分；PLC 的 I/O模塊包括：電源模塊（PS），接口模塊（IM）和輸入/輸出模塊（SM）。它們并排安裝在一根導軌上。

數控系統的主要部件描述如下：

NCU（Numerical Control Unit）：NCU573.5，具備最大控制10通道、10個方式組，最多可配置31軸的能力。

SINUMERIK 840D 的數控單元被稱作 NCU（Numerical Control unit）單元。根據選用硬件如 CPU芯片等和功能配置的不同，NCU 分為 NCU561.5，NCU571.5，NCU572.5 NCU573.5 等若干種。

同樣地，NCU 單元中也集成 SINUMERIK 840D 數控 CPU和 SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相應的數控軟件和 PLC 控制軟件，并且帶有 MPI 或 PROFIBUS 接口，RS232 接口，手輪及測量接口，PCMCIA 卡插槽等所不同的是 NCU 單元很薄，所有的驅動模塊均排列在其右側。

PCU50(PC UNIT)：1.2GHZ/512M內裝HMI高級接口軟件（中英文顯示）。

顯示器：12寸TFT彩顯OP012一臺。

機床控制面板：西門子專用自帶15個用戶自定義按鍵的19寸機床控制面板（MCP）一個。 MCP（Machine Control Panel）是專門為數控機床而配置的，它也是 MPI/OPI 上的一個節點，根據應用場合不同，其布局也不同。目前，有車床版 MCP 和銑床版 MCP 兩種。對 810D 和 840D，MCP 的MPI 地址分別為 14 和 6，用 MCP后面的 S3 開關設定 。

手持單元：西門子HHU手持單元一套。（見下圖）

圖2

驅動器采用西門子SIMODRIVE 611D交流驅動裝置。

輸入輸出接口：采用S7-300系列PLC由 IM361與NCU連接。

2 6軸功能的實現

2.1 NC參數

通用機床數據：

CHANDATA(1)

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_ TAB[0]="X1"；機床軸名稱 N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[1]="Y1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[2]="Z1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[3]="C1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[4]="A1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[5]="SP1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[6]="B1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[7]="V1"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[8]="SP2"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[9]="X2"；機床軸名稱

N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB[10]="U1"；添加機床軸U1

通道機床數據：

CHANDATA(1)

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[0]= 1；分配幾何軸到通道軸

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[1]=2；分配幾何軸到通道軸

N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB[2]=3；分配幾何軸到通道軸

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[0]="X"；通道中的幾何軸名稱

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[1]="Y"；通道中的幾何軸名稱

N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB[2]="Z"；通道中的幾何軸名稱

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[0]=1；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[1]=2；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[2]=3；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[3]=4；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[4]=5；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[5]=6；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[6]=9；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[7]=10；通道軸對應的機床軸

N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED[8]=11；通道軸對應的機床軸U1

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[0]="XC"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[1]="YC"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[2]="ZC"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[3]="C"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[4]="A"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[5]="SP1"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[6]="SP2"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[7]="X2"；通道中通道軸名稱

N20080

$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB[8]="U"；通道中通道軸名稱

軸機床數據：

N30130 $MA_CTRLOUT_TYPE[0,AX11]=0；將U1軸設置成虛擬軸

N30240 $MA_ENC_TYPE[0,AX11]=0；將U1軸設置成虛擬軸

N32000 $MA_MAX_AX_VELO[AX11]=10000；U1軸最大軸速度

N32010 $MA_JOG_VELO_RAPID[AX11]=10000；U1軸點動快速速度

N32020 $MA_JOG_VELO[AX11]=2000；U1軸點動速度在線式刀具長度補償功能相關機床數據：

N19320 $ON_TECHNO_FUNCTION_MASK bit 29；功能選項

N20610 $MC_ADD_MOVE_ACCEL_RESERVE=0.3；疊加運動的加速潛力

N21190 $MC_TOFF_MODE='H0'；系統變量 $AA_TOFF[]的內容可作為絕對值取得或者相加

N21194 $MC_TOFF_VELO[0]=2000；在線式刀具長度補償的速度

N21194 $MC_TOFF_VELO[1]=2000；在線式刀具長度補償的速度

N21194 $MC_TOFF_VELO[2]=2000；在線式刀具長度補償的速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[0]=1；在線式刀具長度補償的加速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[1]=1；在線式刀具長度補償的加速度

N21196 $MC_TOFF_ACCEL[2]=1；在線式刀具長度補償的加速度

2.2 NC程序

N100 TRAORI；激活第一個已編程的方向轉換

N200 T1

N300 G0X0Y0Z0C0A0

N400 TOFFON(Z)；開通在線式刀具長度補償功能

N500 ID=2 WHENEVER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]；同步指令，U軸手輪偏置賦給在線式刀具長度補償

N600 TT

N700 G1G90X5Y5F100

N800 A20 C10

N900 GOTOB TT

N950 TOFFOF(Z)；關閉在線式刀具長度補償功能

TRAORI 五軸轉換指令，編程具有多種優點。特別是：程序獨立于刀具長度和機床運動；進給率與刀具中心點相關，并自動進行補償運動，以補償旋轉軸運動。

TRAORI 激活第一個已編程的方向轉換；

TRAFOOF 斷開轉換；

TRAORI(n) 激活用n編程的方向轉換；

N 轉換號碼（n=1 或 2），TRAORI（1）對應于 TRAORI；

SINUMERIK840D支持在實踐應用中用來編程刀具方向的各種類型。必須激活方向轉換TRAORI。一般建議使用方向矢量來編程刀具方向。

圖3

實際項目中，將TRAORI、TOFFON(Z)、D=2 WHENE-VER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]以及 TOFFOF(Z)指令添加到用戶NC中的相應位置即可。

2.3 PLC程序

CALL FC 1200 //6-axis,DRF；在OB1最后面調用FC1200 SET

=DB41.DBX 2.1 //激活U軸控制器使能

=DB41.DBX 21.7 //激活U軸脈沖使能

=DB41.DBX 1.5 //激活U軸測量系統1

=DB41.DBX 1.7 //激活U軸倍率

A I 7.0 //MCP自定義鍵T8

AN Q 5.0 //MCP自定義鍵T8指示燈

FP M 150.0

S M 150.1

A I 7.0 //MCP自定義鍵T8

A Q 5.0 //MCP自定義鍵T8指示燈

FN M 150.2

R M 150.1

AN I 7.0 //MCP自定義鍵T8

A M 150.1

= Q 5.0 //MCP自定義鍵T8指示燈，以選擇6軸功能選擇

A Q 5.0//6軸功能選擇

A DB83.DBX 5.6 //HHU 被選擇

AN DB31.DBX 64.0 //軸1手輪功能被激活

AN DB32.DBX 64.0 //軸2手輪功能被激活

AN DB33.DBX 64.0 //軸3手輪功能被激活

AN DB34.DBX 64.0 //軸4手輪功能被激活

AN DB35.DBX 64.0 //軸1手輪功能被激活

=DB41.DBX 4.0 //虛軸U1手輪功能選擇

2.4 6軸功能操作說明

（1）將相關指令TRAORI、TOFFON(Z)、D=2 WHENE-VER TRUE DO $AA_TOFF[Z]=$AC_DRF[U]以及 TOFFOF(Z)等添加到NC程序中，并運行 。

（2）通過HMI選擇DRF功能

DRF功能 (Differential Resolve Function)，一般是用在MDA和AUTO下，在MDA和AUTO下進行軸移動干預，也就是走程序的時候，可以用手輪對當前未運動的軸進行移動，又稱手輪偏置。接口信號DB21.DBX0.3激活，然后選擇手輪、干預軸，INC，手輪對相應的軸即可在自動方式下進行干預了。DRF值：$AC_DRF[axis]；DRF取消：DRFOF ；另外，DRF偏置在機床坐標系下顯示，在工件坐標下不顯示 。

（3）通過 MCP-T8用戶自定義鍵 （自定義最中間那個鍵），激活或取消6軸功能 。

3 系統軟件升級

以上工作完成后會發現一個問題，6軸的移動速度被限制到200mm/min左右的一個很低的速度，這樣的手輪干預速度對用戶加工工件來說毫無意義。

我們使用現有的840D不同系統版本做了相同的實驗，發現是一樣的情況，6軸的移動都被限制在很低的速度，而SINUMERIK 840D的升級版本SINUMERIK 840D solution line并未有此限制，可以很容易達到N21194 $MC_TOFF_VELO參數中設定的速度。

為此我們求助了德國西門子熱線，德國西門子熱線也很快給了反饋，建議我們修改參數 N21198 $MC_ORI_TRAFO_ONLINE_CHECK_LIM。但是新的問題又來了，在該機床的數控系統 SINUMERIK 840D系統軟件版本 Version data NCU 07.04.30中根本找不到參數 N21198。熱線繼續反饋需要將SINUMERIK 840D的系統軟件版本升級到 840D的最高版本Version data NCU 07.04.40，并修改下面參數：N21198 $MC_ORI_TRAFO_ONLINE_CHECK_LIM 在線式刀具長度補償的速度限制。

由于具備五軸功能的數控系統受到國外供應商（包括FANUC、西門子及FIDIA等 ）的出口限制，在購買新的系統軟件的過程中又經歷了一些波折，但是最終在意大利 JOBS的努力下歷時半年終于拿到所需的系統軟件版本。

系統軟件升級并修改完參數N21198后，該功能得以最終調試完成。

4 結論

6軸功能在調試過程中雖然遇到了很多很多的困難，但是在各方的積極配合下最終成功實現了該功能。

根據用戶反饋，6軸功能調試完成后，該設備運行穩定可靠，也最終得到成功驗收。