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摘 要：雙操作站的設(shè)計；操作站雙通道的切換設(shè)計；自動換刀功能，并且具有刀具任意位置安放、刀具使用次數(shù)/壽命監(jiān)控及報警、自動選擇替代刀具等功能；頭架自動交換功能，并且角尺頭架具有360度自動旋轉(zhuǎn)角度功能。
關(guān)鍵詞：SIEMENS840D 系統(tǒng) OPI 總線 HMI 雙控制模式 GANTRY 龍門軸 刀庫 宏程序
1 引言
上海第一機(jī)床廠有限公司的德國KOLB立式雙柱五面體加工中心：1992年國撥外匯引進(jìn)項目，上海機(jī)床總公司和上海第一機(jī)床廠與聯(lián)邦德國WERNER-KOLB 機(jī)床有限公司合作生產(chǎn)CUBIMAT IT（3000*1500）立式雙柱五面體加工中心。該加工中心采用德國西門子850 數(shù)控系統(tǒng)，配有計算機(jī)控制，能實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，具有72把刀的刀庫，并且有4種附件頭架適應(yīng)工件上不同方向、不同角度的加工面的加工，刀具及頭架均能自動交換，能在一次裝夾下完成五個面上的各種加工，如銑、鏜、鉆、攻絲、鉸等工序，生產(chǎn)效率高，可大大縮短生產(chǎn)加工周期，是航天、國防、重機(jī)、機(jī)床、汽車等行業(yè)必不可少的重要設(shè)備。
近幾年由于元器件老化，加工精度降低，設(shè)備故障率增高，備件價格昂貴且難以買到，另外機(jī)械手功能部件損壞，已無法實(shí)現(xiàn)刀具及頭架自動交換。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，決定改造其控制系統(tǒng)，恢復(fù)機(jī)床原有精度和功能。
上海第一機(jī)床廠有限公司的德國KOLB立式雙柱五面體加工中心：1992年國撥外匯引進(jìn)項目，上海機(jī)床總公司和上海第一機(jī)床廠與聯(lián)邦德國WERNER-KOLB 機(jī)床有限公司合作生產(chǎn)CUBIMAT IT（3000*1500）立式雙柱五面體加工中心。該加工中心采用德國西門子850 數(shù)控系統(tǒng)，配有計算機(jī)控制，能實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，具有72把刀的刀庫，并且有4種附件頭架適應(yīng)工件上不同方向、不同角度的加工面的加工，刀具及頭架均能自動交換，能在一次裝夾下完成五個面上的各種加工，如銑、鏜、鉆、攻絲、鉸等工序，生產(chǎn)效率高，可大大縮短生產(chǎn)加工周期，是航天、國防、重機(jī)、機(jī)床、汽車等行業(yè)必不可少的重要設(shè)備。
近幾年由于元器件老化，加工精度降低，設(shè)備故障率增高，備件價格昂貴且難以買到，另外機(jī)械手功能部件損壞，已無法實(shí)現(xiàn)刀具及頭架自動交換。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本，決定改造其控制系統(tǒng)，恢復(fù)機(jī)床原有精度和功能。
2 機(jī)床的概況及控制要求
2．1 立式雙柱五面體加工中心的概況
（1） 機(jī)床主要由龍門式加工中心、刀庫、液壓單元、氣動單元和冷卻液單元構(gòu)成。加工中心本體主要由床身、工作臺（3000*1500mm）、雙立柱、橫梁和主軸箱組成。刀庫主要由機(jī)械手、3個刀具柜和1個頭架柜組成。
（2）機(jī)床的原控制系統(tǒng)為西門子850數(shù)控系統(tǒng)，采用模擬交流伺服驅(qū)動。橫梁采用同步板控制左右兩軸驅(qū)動。
（3）機(jī)床主電機(jī)50KW，主軸扭矩2600NM，進(jìn)給軸：X、Y、Z、W1、W2，刀庫軸：V、Q、E1、E2、E3、U1、U2、U3、U4。
（4）機(jī)床人機(jī)對話控制站有二處，一處位于機(jī)床本體，一處位于刀庫。
2．2 控制要求
（1）具備數(shù)控機(jī)床的各項基本功能
（2）橫梁具有歪斜后自動修正功能。
（3）自動換刀功能，并且具有刀具任意位置安放、刀具使用次數(shù)/壽命監(jiān)控及報警、自動選擇替代刀具等功能。
（4）頭架自動交換功能，并且角尺頭架具有360度自動旋轉(zhuǎn)角度功能。
（5）機(jī)床加工時刀庫自動預(yù)選調(diào)整功能。
（6）機(jī)床刀庫專有操作站，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話控制，管理刀庫。
3 機(jī)床改造系統(tǒng)的配置
根據(jù)實(shí)際情況，我公司選擇了德國西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，它是德國西門子850數(shù)控系統(tǒng)的升級產(chǎn)品，同時也是目前西門子最高端的產(chǎn)品， 它具有以下的特點(diǎn)：
（1）中文操作界面具有中英文顯示切換功能，并且具有完善的中文用戶報警信息提示
（2）NC編程：運(yùn)用用戶變量、系統(tǒng)變量、間接編程、算術(shù)三角函數(shù)、比較或邏輯運(yùn)算、程序跳轉(zhuǎn)、程序調(diào)用、宏調(diào)用等給機(jī)床的使用帶來了極大的自由度。
（3）利用Windows技術(shù)改變?nèi)藱C(jī)界面使操作界面適合于不同的控制任務(wù)。窗口式的設(shè)計使操作者可以對過程進(jìn)行全面監(jiān)控。 （4）SIMODRIVE 611 驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸驅(qū)動，閉環(huán)控制以及主軸控制等，該驅(qū)動適用于惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、腐蝕性液體、沖擊、振動及熱沖擊的抵抗力很強(qiáng)。
硬件配置：SIEMENS840D系統(tǒng)+1FT6伺服電機(jī)+1PH7主電機(jī)+611D驅(qū)動+雙HMI+雙MCP 軟件選項：雙通道，雙控制模式，14進(jìn)給軸+1主軸，GANTRY 龍門軸 系統(tǒng)配置圖如下：
4 系統(tǒng)功能的設(shè)計
機(jī)床改造過程中方面主要有以下特點(diǎn)：
（1）雙操作站的設(shè)計
西門子840D系統(tǒng)使用MPI/OPI開放式的結(jié)構(gòu)，聯(lián)接設(shè)備只要符合網(wǎng)路規(guī)則都可以便捷的使用。MPI/OPI網(wǎng)路規(guī)則要求，在總線的兩終端MPI連接器要接入終端電阻，中間各個連接點(diǎn)斷開終端電阻。在實(shí)際使用中我們都是使用OPI連接方式，因為MPI(187.5kbaud)的連接最大電纜長度為10米，而OPI(1.5Mbaud)的連接最大電纜長度為200米，超過各自規(guī)定的長度就需要使用信號重復(fù)器，OPI的優(yōu)勢顯而易見。通過OPI網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)操作站的信息互通，以及文件管理等功能。
硬件的連接：
2．1 立式雙柱五面體加工中心的概況
（1） 機(jī)床主要由龍門式加工中心、刀庫、液壓單元、氣動單元和冷卻液單元構(gòu)成。加工中心本體主要由床身、工作臺（3000*1500mm）、雙立柱、橫梁和主軸箱組成。刀庫主要由機(jī)械手、3個刀具柜和1個頭架柜組成。
（2）機(jī)床的原控制系統(tǒng)為西門子850數(shù)控系統(tǒng)，采用模擬交流伺服驅(qū)動。橫梁采用同步板控制左右兩軸驅(qū)動。
（3）機(jī)床主電機(jī)50KW，主軸扭矩2600NM，進(jìn)給軸：X、Y、Z、W1、W2，刀庫軸：V、Q、E1、E2、E3、U1、U2、U3、U4。
（4）機(jī)床人機(jī)對話控制站有二處，一處位于機(jī)床本體，一處位于刀庫。
2．2 控制要求
（1）具備數(shù)控機(jī)床的各項基本功能
（2）橫梁具有歪斜后自動修正功能。
（3）自動換刀功能，并且具有刀具任意位置安放、刀具使用次數(shù)/壽命監(jiān)控及報警、自動選擇替代刀具等功能。
（4）頭架自動交換功能，并且角尺頭架具有360度自動旋轉(zhuǎn)角度功能。
（5）機(jī)床加工時刀庫自動預(yù)選調(diào)整功能。
（6）機(jī)床刀庫專有操作站，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話控制，管理刀庫。
3 機(jī)床改造系統(tǒng)的配置
根據(jù)實(shí)際情況，我公司選擇了德國西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，它是德國西門子850數(shù)控系統(tǒng)的升級產(chǎn)品，同時也是目前西門子最高端的產(chǎn)品， 它具有以下的特點(diǎn)：
（1）中文操作界面具有中英文顯示切換功能，并且具有完善的中文用戶報警信息提示
（2）NC編程：運(yùn)用用戶變量、系統(tǒng)變量、間接編程、算術(shù)三角函數(shù)、比較或邏輯運(yùn)算、程序跳轉(zhuǎn)、程序調(diào)用、宏調(diào)用等給機(jī)床的使用帶來了極大的自由度。
（3）利用Windows技術(shù)改變?nèi)藱C(jī)界面使操作界面適合于不同的控制任務(wù)。窗口式的設(shè)計使操作者可以對過程進(jìn)行全面監(jiān)控。 （4）SIMODRIVE 611 驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給軸驅(qū)動，閉環(huán)控制以及主軸控制等，該驅(qū)動適用于惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、腐蝕性液體、沖擊、振動及熱沖擊的抵抗力很強(qiáng)。
硬件配置：SIEMENS840D系統(tǒng)+1FT6伺服電機(jī)+1PH7主電機(jī)+611D驅(qū)動+雙HMI+雙MCP 軟件選項：雙通道，雙控制模式，14進(jìn)給軸+1主軸，GANTRY 龍門軸 系統(tǒng)配置圖如下：
4 系統(tǒng)功能的設(shè)計
機(jī)床改造過程中方面主要有以下特點(diǎn)：
（1）雙操作站的設(shè)計
西門子840D系統(tǒng)使用MPI/OPI開放式的結(jié)構(gòu)，聯(lián)接設(shè)備只要符合網(wǎng)路規(guī)則都可以便捷的使用。MPI/OPI網(wǎng)路規(guī)則要求，在總線的兩終端MPI連接器要接入終端電阻，中間各個連接點(diǎn)斷開終端電阻。在實(shí)際使用中我們都是使用OPI連接方式，因為MPI(187.5kbaud)的連接最大電纜長度為10米，而OPI(1.5Mbaud)的連接最大電纜長度為200米，超過各自規(guī)定的長度就需要使用信號重復(fù)器，OPI的優(yōu)勢顯而易見。通過OPI網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)操作站的信息互通，以及文件管理等功能。
硬件的連接：
1#HMI 的節(jié)點(diǎn)地址：1 | 2# HMI 的節(jié)點(diǎn)地址：9 |
1#MCP 的節(jié)點(diǎn)地址：6 | 2# MCP 的節(jié)點(diǎn)地址：14 |
（2）操作站雙通道的切換設(shè)計{$PAGE}
根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的需要，機(jī)床采用了雙通道控制。根據(jù)機(jī)床雙操作站，系統(tǒng)分為左右通道，通過利用操作面板HMI 上的空白未定義軟鍵定義實(shí)現(xiàn)了左右通道切換顯示。正常工作時：機(jī)床本地顯示加工操作畫面即第一通道，刀庫本地顯示刀庫各軸操作畫面即第二通道，各司其職，須查詢異地操作站情況時可方便的通過軟功能鍵進(jìn)行切換，有利于監(jiān)控和報警時的檢查，根本無需兩操作站的往返奔波。在雙通道運(yùn)行過程中運(yùn)用通道等待指令實(shí)現(xiàn)了雙通道協(xié)調(diào)工作。左右通道的運(yùn)行狀態(tài)通過“通道轉(zhuǎn)換軟鍵”進(jìn)行選擇監(jiān)視，OPI的總線連接方式保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時快速。
根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的需要，機(jī)床采用了雙通道控制。根據(jù)機(jī)床雙操作站，系統(tǒng)分為左右通道，通過利用操作面板HMI 上的空白未定義軟鍵定義實(shí)現(xiàn)了左右通道切換顯示。正常工作時：機(jī)床本地顯示加工操作畫面即第一通道，刀庫本地顯示刀庫各軸操作畫面即第二通道，各司其職，須查詢異地操作站情況時可方便的通過軟功能鍵進(jìn)行切換，有利于監(jiān)控和報警時的檢查，根本無需兩操作站的往返奔波。在雙通道運(yùn)行過程中運(yùn)用通道等待指令實(shí)現(xiàn)了雙通道協(xié)調(diào)工作。左右通道的運(yùn)行狀態(tài)通過“通道轉(zhuǎn)換軟鍵”進(jìn)行選擇監(jiān)視，OPI的總線連接方式保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時快速。
（3）橫梁自動同步GANTRY龍門軸式功能
在較早的數(shù)控系統(tǒng)中，雙軸同步都使用的軸同步比較板，依靠軸位置反饋信號進(jìn)行硬件比較達(dá)到同步功能。此種方式因采用模擬電路，存在一定弊端，如：零飄、元件老化等問題。西門子840D系統(tǒng)提供gantry功能選項，通過系統(tǒng)模塊間的611D總線通訊，軟件計算來實(shí)現(xiàn)這一功能，無需額外的硬件電路，從而提高這一功能的可靠性，并且增加同步軸之間的誤差監(jiān)控報警。
W軸回零成功后，系統(tǒng)自動將W1軸與W2軸的位置反饋值通過611D總線由CNC進(jìn)行比較計算，從而使雙軸精確同步。編程時只允許使用W1軸名來編輯，使用W2時系統(tǒng)會提示報警，在屏幕上顯示W1軸和W2軸坐標(biāo)值。系統(tǒng)即可以讓用戶依據(jù)機(jī)械保護(hù)的允差值來自己定義誤差極限TRIP范圍，又可以讓用戶依據(jù)零件加工的允差值來自己定義誤差報警范圍，這些功能在較早數(shù)控系統(tǒng)中是不具備的。數(shù)控系統(tǒng)改造前原來的橫梁歪斜現(xiàn)象頻繁發(fā)生，改造后在實(shí)際運(yùn)用中，用戶反應(yīng)無原來的橫梁歪斜現(xiàn)象發(fā)生，可靠性高，穩(wěn)定性好。
在較早的數(shù)控系統(tǒng)中，雙軸同步都使用的軸同步比較板，依靠軸位置反饋信號進(jìn)行硬件比較達(dá)到同步功能。此種方式因采用模擬電路，存在一定弊端，如：零飄、元件老化等問題。西門子840D系統(tǒng)提供gantry功能選項，通過系統(tǒng)模塊間的611D總線通訊，軟件計算來實(shí)現(xiàn)這一功能，無需額外的硬件電路，從而提高這一功能的可靠性，并且增加同步軸之間的誤差監(jiān)控報警。
W軸回零成功后，系統(tǒng)自動將W1軸與W2軸的位置反饋值通過611D總線由CNC進(jìn)行比較計算，從而使雙軸精確同步。編程時只允許使用W1軸名來編輯，使用W2時系統(tǒng)會提示報警，在屏幕上顯示W1軸和W2軸坐標(biāo)值。系統(tǒng)即可以讓用戶依據(jù)機(jī)械保護(hù)的允差值來自己定義誤差極限TRIP范圍，又可以讓用戶依據(jù)零件加工的允差值來自己定義誤差報警范圍，這些功能在較早數(shù)控系統(tǒng)中是不具備的。數(shù)控系統(tǒng)改造前原來的橫梁歪斜現(xiàn)象頻繁發(fā)生，改造后在實(shí)際運(yùn)用中，用戶反應(yīng)無原來的橫梁歪斜現(xiàn)象發(fā)生，可靠性高，穩(wěn)定性好。
（4）自動換刀宏程序設(shè)計
刀庫操作站可以自由的管理刀具庫。刀庫管理者可以根據(jù)制造商固化了的循環(huán)，控制機(jī)械手方便的從刀庫正常刀位中抓取刀具至維修刀位，進(jìn)行刀具的檢查、維護(hù)及更換等工作，更可以方便的從刀庫維修刀位中抓取刀具放至正常刀位。刀庫中特定的環(huán)境規(guī)定了刀具的存放空間及存放規(guī)則，例如：長刀具必須放置于刀庫的上排、刀盤兩側(cè)必須為空刀位才可放置、長刀盤必須得符合前面的兩個條件才可放置、短刀具根據(jù)用戶的選擇決定是否可以放置于長刀位等等，根據(jù)專用的刀具號區(qū)域劃分，使得固化循環(huán)可以精確的識別出刀具類型，分類存放。
刀庫操作站可以自由的管理刀具庫。刀庫管理者可以根據(jù)制造商固化了的循環(huán)，控制機(jī)械手方便的從刀庫正常刀位中抓取刀具至維修刀位，進(jìn)行刀具的檢查、維護(hù)及更換等工作，更可以方便的從刀庫維修刀位中抓取刀具放至正常刀位。刀庫中特定的環(huán)境規(guī)定了刀具的存放空間及存放規(guī)則，例如：長刀具必須放置于刀庫的上排、刀盤兩側(cè)必須為空刀位才可放置、長刀盤必須得符合前面的兩個條件才可放置、短刀具根據(jù)用戶的選擇決定是否可以放置于長刀位等等，根據(jù)專用的刀具號區(qū)域劃分，使得固化循環(huán)可以精確的識別出刀具類型，分類存放。
自動換刀宏程 | CYCLE191 | 指令維修刀位(seatnum)抓刀具 | 刀庫操作站 |
CYCLE195 | unload 機(jī)械手放置刀具 | ||
CYCLE196 | perselect 機(jī)械手預(yù)選刀具 | ||
CYCLE202(N) | 指定刀具號，移刀具至維修位，n=刀具號 | 刀庫操作站 | |
CYCLE203(N) | 指定維修位內(nèi)刀具號，移刀具至正常刀位 ，n=刀位號，刀庫操作站 | ||
CYCLE204(N) | 機(jī)械手上刀具放入刀庫內(nèi)，n=抓手號 1:E1 2:E2 | 刀庫操作站 | |
CYCLE205(N) | 指定頭架號，機(jī)械手上頭架移至刀庫內(nèi)，N=頭架號 | 加工操作站 | |
CYCLE206(N1,N2,N3,N4)刀庫內(nèi)到位刀具賦值,N1:刀位號 N2:刀具號 N3:使用次數(shù) N4:代替刀 號，兩地操作站均可執(zhí)行 | |||
TOOL(N) | 預(yù)選刀具，N:刀具號 | 加工操作站 | |
CYCLE198 | M06 執(zhí)行刀具交換 | 加工操作站 | |
序 | |||
CYCLE210 | 垂直頭架交換刀具 | 加工操作站 | |
CYCLE211 | 角尺頭架交換刀具 | 加工操作站 | |
CYCLE212 | 角尺頭架交換刀具 | 加工操作站 | |
CYCLE220 | 垂直頭架交換刀具 | 刀庫操作站 | |
CYCLE221 | 角尺頭架交換刀具 | 刀庫操作站 | |
CYCLE222 | 角尺頭架交換刀具 | 刀庫操作站 | |
（5）頭架自動交換宏程序設(shè)計
為用戶固化了的循環(huán)，可以方便的執(zhí)行頭架抓取和頭架分度，并且在程序中加入了各種辨別方式及提示信息，自動判別頭架號是否合法，自動判別頭架角度值語法合法和是否可以到達(dá)，編程錯誤時自動提示相關(guān)信息。
頭 | CYCLE200(N) | 頭架交換，N:頭架號 | 加工操作站 |
架 | CYCLE224 | 機(jī)械手執(zhí)行頭架交換 | 刀庫操作站 |
宏 | CYCLE201(N) | 角尺頭架分度，N:角度數(shù)(2.5度的整數(shù)倍數(shù))，加工操作站 | |
程序 | CYCLE207 | 角尺頭架旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系矯正 | 加工操作站,由G16 指令調(diào)用 |
結(jié)束語
五面體加工中心改造后具有如下的功能：
5．1 雙操作界面(HMI)，可以方便的進(jìn)行兩地程序編輯/管理，第二操作界面更提供便捷的刀庫管理
5．2 機(jī)床控制面板(MCP),既可以兩地同步控制方式又可異步控制方式，刀庫管理的同時絲毫不影響機(jī)床的加工工作
5．3 第一通道機(jī)床加工時，根據(jù)指令第二通道刀庫提前預(yù)選刀具，縮短非加工時間，提高工作效率
5．4 刀庫一鍵回零，方便實(shí)用
5．5 刀庫/附件，列表形式提供查詢，刀庫數(shù)據(jù)口令等級式管理，分工明確，不會因不同用戶的使用而造成混亂
5．6 刀庫內(nèi)長短刀具自動分類存放，并且每一把刀具均可設(shè)置使用次數(shù)，可設(shè)置替代刀具號，同時刀具使用次數(shù)等于壹時自動信息提示，刀具使用次數(shù)等于零時，自動將刀具放置于維修刀位中，自動選擇使用替代刀具
5．7 換刀程序參數(shù)式調(diào)用，方便易用，文件口令等級式管理
5．8 在第二操作界面，既可以方便的移出刀具至維修刀位中進(jìn)行檢查及維修，又可以方便的從維修刀位中移出刀具至正常刀位，這些工作全部可以通過調(diào)用專用的程序來自動完成
5．9 附件銑頭架的自動更換，及其偏置補(bǔ)償，極大地減輕工作強(qiáng)度，同時保證了頭架機(jī)械部分的重復(fù)精度
5．10 角尺頭架自動分度功能，真正實(shí)現(xiàn)五面體加工
5．11 刀庫程序執(zhí)行每一處中斷都帶有提示信息，簡單易查
5．12 詳細(xì)的機(jī)床控制報警文本
5．13 機(jī)床橫梁使用GANTRY龍門軸式功能，實(shí)現(xiàn)橫梁兩側(cè)可靠的高精度同步定位運(yùn)動
5．14 主軸定位功能，以及剛性攻絲
5．15 機(jī)床加工可以全部調(diào)用SIEMENS840D 內(nèi)部集成的鉆、銑、鏜標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)
5．16 機(jī)床螺距補(bǔ)償，提供更高的位置精度
KOLB 立式雙柱五面體加工中心改造完成后，機(jī)床各個軸的定位精度、重復(fù)定位精度及反向間隙指標(biāo)均達(dá)到新機(jī)床的出廠標(biāo)準(zhǔn)，加工操作簡單，程序存儲量大，故障率降低。所加工的產(chǎn)品各項指標(biāo)均優(yōu)于原來的指標(biāo)，并且有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，得到了上海第一機(jī)床廠的一致認(rèn)可和高度評價
