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一、技術(shù)背景
高速加工技術(shù)是世界范圍內(nèi)倍受關(guān)注的前沿技術(shù)，它將極大的促進(jìn)加工的效率和產(chǎn)品品質(zhì)。我廠針對這一潛在的市場需求，在近兩年對高速加工中心進(jìn)行了兩輪開發(fā)設(shè)計和試制，在第一輪的開發(fā)設(shè)計中，電氣控制系統(tǒng)采用的是德國INDRAMART 數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件平臺是基于工業(yè)PC主板，NC和PLC以板卡的形式插在工控機(jī)擴(kuò)展槽內(nèi)，該系統(tǒng)的特點是：用戶開放性好，軟件工具專業(yè)性強(qiáng)，系統(tǒng)功能集成度高，但隨之也出現(xiàn)了應(yīng)用上的局限：系統(tǒng)運行依賴于硬盤，一旦硬盤損壞，系統(tǒng)需恢復(fù)才能運行；控制軟件和零件加工程序的編制通用性不強(qiáng)；伺服電機(jī)特性曲線較軟，這在一定程度上抑制了數(shù)控軸高速性能的提升或增加了電機(jī)體積和相應(yīng)的費用。在高速加工中心第二輪開發(fā)設(shè)計中，通過對SIEMENS 840D的系統(tǒng)性能分析與比較，認(rèn)為SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)能克服以上應(yīng)用的局限，性價比高，并且在市場上份額大，用戶群體中有相當(dāng)?shù)目诒?，?yīng)用該系統(tǒng)，將會提高我廠高速加工中心的市場競爭力。
高速加工中心第二輪開發(fā)試制已完成階段性工作，在這里將從硬件配置、軟件標(biāo)準(zhǔn)化編程、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用開發(fā)等幾個方面著重描述系統(tǒng)配置、光柵尺全閉環(huán)應(yīng)用、龍門式同步軸調(diào)整、和第三方主軸調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)，為我廠后期電氣控制技術(shù)的提升提供參考和經(jīng)驗。
二、硬件配置要點
該高速加工中心的840D數(shù)控系統(tǒng)硬件配置如下圖1所示：大體上可歸結(jié)為一層網(wǎng)、兩個總線。
一層網(wǎng)是：MPI / OPI 網(wǎng)：它將840D控制核心NCU、人機(jī)界面HMI-PCU50、機(jī)床操作面板MCP連接在一起，使操作者可通過HMI或MCP來訪問控制器NCU，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、程序等數(shù)據(jù)的調(diào)整輸入和輸出、設(shè)備狀態(tài)的可視化等功能。在該網(wǎng)設(shè)置中可有兩種形式：MPI 或 OPI ，它們的區(qū)別在于傳輸速率不同：
MPI 的速率為 187.5Kbit/S，OPI 的速率為 1.5 Mbit/s一般情況下選擇后者。在設(shè)置中應(yīng)注意以下三點：
1、 MPI/OPI的設(shè)置在PLC控制程序（即：NCU中）、HMI上、MCP三者要保持一致，否則造成網(wǎng)絡(luò)故障。
2、 在HMI進(jìn)行初始化后，MMC的設(shè)置恢復(fù)到默認(rèn)值，應(yīng)進(jìn)行檢查和修改，保證網(wǎng)絡(luò)地址不沖突，否則造成網(wǎng)絡(luò)故障。
3、 PI /OPI 低層通訊協(xié)議遵循RS485協(xié)議，在硬件上使用雙絞線和DP接 頭，為了在網(wǎng)絡(luò)兩端接入終端電阻，應(yīng)從DP接頭的進(jìn)線端接入，否則造成網(wǎng)
圖1. 高速加工中心840D數(shù)控系統(tǒng)硬件配置
絡(luò)不穩(wěn)定或故障。
兩個總線是：驅(qū)動總線和設(shè)備總線，驅(qū)動總線通過串聯(lián)實現(xiàn)NCU與611D驅(qū)動器位控板之間的信號傳遞。設(shè)備總線是驅(qū)動電源模塊向NCU、611D位控板提供工作電源（+15V）和監(jiān)控功率部件溫度。在該項目中，采用了設(shè)備總線雙層安裝方式，主要是考慮到設(shè)備總線的連接能力，此外，在電機(jī)、功率部件確定的情況下，如何選擇電源模塊，是決定高速加工中心電氣控制的關(guān)鍵，下面想就此做詳細(xì)的分析。
（一）計算軸連續(xù)饋入功率：
通過下表可計算出各軸的輸出額定功率
序號 | 軸 | 額定轉(zhuǎn)速 n1(rpm) | 額定扭矩 M0(Nm) | 額定功率 P1=0.105*M0*n1*10-3（KW） |
1 | X1 | 2000 | 50 | 10.5 |
2 | X0 | 2000 | 50 | 10.5 |
3 | Y | 2000 | 70 | 14.7 |
4 | Z | 2000 | 50 | 10.5 |
5 | B | 2000 | 17 | 3.5 |
6 | STK | 2000 | 23 | 4.8 |
根據(jù)電源模塊工作特性，輸出額定功率在1.8~8.8KW的軸為B軸和刀庫STK這2個軸，B軸的進(jìn)給系數(shù)為0.38,刀庫的進(jìn)給系數(shù)為1;輸出額定功率在8.8~27KW的軸為X1、X0、Y、Z這4個軸，它的進(jìn)給系數(shù)為0.38；則所計算出來的進(jìn)給軸連續(xù)饋入功率：
P2=(3.5*0.38+4.8*1+（10.5+10.5+14.7+10.5）*0.38）*1.1=26.05KW
而主軸的連續(xù)饋入功率：P3=1.25*34=42.5KW
則總系統(tǒng)連續(xù)饋入功率P4=P2+P3=68.55KW
（二）計算軸峰值饋入功率
通過下表可計算出各軸的峰值功率
序號 | 軸 | 峰值電流I(A) | 峰值功率 P1=0.6*600*I*10-3（KW） |
1 | X1 | 46 | 16.56 |
2 | X0 | 46 | 16.56 |
3 | Y | 50 | 18 |
4 | Z | 46 | 16.56 |
5 | B | 22 | 7.9 |
6 | STK | 22 | 7.9 |
合計P5= | 83.48 | ||
則總系統(tǒng)連續(xù)饋入功率P6=P5+P3=126KW
分析：通過以上計算，可以看出：電源模塊的選擇應(yīng)滿足:
連續(xù)饋入功率> 68.55KW (P4)
峰值饋入功率> 126KW (P6)
結(jié)果: 選擇了電源模塊的連續(xù)饋入功率為80KW，峰值饋入功率為131KW，
滿足以上使用要求。
（三）檢查允許的電子和功率供電能力
雖然通過以上計算，所選擇的電源在強(qiáng)電回路滿足使用要求，但還需進(jìn)行其電子回路和功率部件回路供電能力的檢查，如果能力不夠，必須采取措施，保證系統(tǒng)可靠地運行。下面是電源供電能力的計算：
序號 | 模塊類型 | 數(shù)量 | EP | AP | T1-EP | T1-AP | 注：EP為電子系數(shù) AP為功率系數(shù) T1-EP=EP*數(shù)量 T1-AP=AP*數(shù)量 T-EP為總電子系數(shù) T-AP為總功率系數(shù) |
1 | 電源80KW | 1 | 1 | 0.75 | 1 | 0.75 | |
2 | 進(jìn)給位控板 | 6 | 1 | 2.2 | 6 | 13.2 | |
3 | 主軸位控板 | 1 | 1.5 | 2.45 | 1.5 | 2.45 | |
4 | 840D-NCU | 1 | 2.3 | 5.4 | 2.3 | 5.4 | |
合計 T-EP= | 10.8 | 21.8 | |||||
合計 T-AP= | |||||||
{#NextPage#}
系統(tǒng)規(guī)定：T-EP必須小于8，T-AP必須小于17，而以上計算結(jié)果均不滿足這一條件，在該系統(tǒng)設(shè)計時，采用一塊監(jiān)控模塊，來分擔(dān)系統(tǒng)對電子回路和功率部件回路電源管理的壓力。具體做法是電源模塊在電子線路上只帶主軸和Y軸，其余的軸由監(jiān)控模塊供電。如下表計算：
由電源模塊帶的軸配置計算：
序號 | 模塊類型 | 數(shù)量 | EP | AP | T1-EP | T1-AP | 注：EP為電子系數(shù) AP為功率系數(shù) T1-EP=EP*數(shù)量 T1-AP=AP*數(shù)量 T-EP為總電子系數(shù) T-AP為總功率系數(shù) |
1 | 電源80KW | 1 | 1 | 0.75 | 1 | 0.75 | |
2 | Y軸控板 | 1 | 1 | 2.2 | 1 | 2.2 | |
3 | 主軸位控板 | 1 | 1.5 | 2.45 | 1.5 | 2.45 | |
4 | 840D-NCU | 1 | 2.3 | 5.4 | 2.3 | 5.4 | |
合計 T-EP= | 5.8 | 10.8 | |||||
合計 T-AP= | |||||||
由監(jiān)控模塊帶的軸配置計算：
序號 | 模塊類型 | 數(shù)量 | EP | AP | T1-EP | T1-AP | 注：EP為電子系數(shù) AP為功率系數(shù) T1-EP=EP*數(shù)量 T1-AP=AP*數(shù)量 T-EP為總電子系數(shù) T-AP為總功率系數(shù) |
1 | 其它軸控板 | 5 | 1 | 2.2 | 5 | 11 | |
合計 T-EP= | 5 | 11 | |||||
合計 T-AP= | |||||||
通過以上措施，完全滿足系統(tǒng)要求，保證了系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運行。
需要說明的是：在Y軸電機(jī)和驅(qū)動的選型上，對其扭矩提升了一檔，電機(jī)最大扭矩為70NM，驅(qū)動輸出最大電流為112A，較好地解決了以往Y軸響應(yīng)低的問題。
三、軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計：
軟件設(shè)計主要是指840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計，在該項目中，對其中關(guān)鍵程序進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，主要是將主軸和進(jìn)給軸分別編寫相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)功能塊FC，對西門子提供的手輪功能塊做適應(yīng)性的修改和擴(kuò)展，為該系統(tǒng)軟件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計作出努力。主要的做法是：圍繞軸使能、軸禁止、進(jìn)給倍率、位置環(huán)激活等內(nèi)容，用形參（符號）進(jìn)行編程，組織其正確的邏輯關(guān)系和時序，當(dāng)對軸編程時，只需調(diào)用此功能塊，并對相應(yīng)的形參賦值，以下為標(biāo)準(zhǔn)功能塊的一部分：
FC100：
L #NUM_AXE
+ 30
T #NUMDB
OPN DB [#NUMDB]
A M 0.1
= DBX 1.7 // 倍率激活
A #B65
= DBX 2.1 // 控制器使能
A #B663
= DBX 21.7 // 脈沖使能
A #FC_REF
= DBX 12.7 // 回零減速開關(guān)
A #FCHARD_P
= DBX 12.1 // 正向硬超程開關(guān)
A #FCHARD_M
= DBX 12.0 // 負(fù)向硬超程開關(guān)
以上#B65、#B663、#FC_REF、#FCHARD_P、#FCHARD_M均為符號，對它們進(jìn)行相應(yīng)的賦值，就可對各個軸進(jìn)行控制，大大簡化了控制程序，該程序運行良好。
此外，對移動手輪的控制程序進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，它可應(yīng)用于所有該類型的手輪，對其它數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用也有借鑒意義，即移動手輪的控制程序已實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。
四、現(xiàn)場調(diào)試中關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用
(一) 全閉環(huán)位置環(huán)設(shè)置和補(bǔ)償
在該項目中X1、X0、Y、Z軸配置了距離編碼光柵尺，B軸配置了角度編碼器，即參與插補(bǔ)的四個軸實現(xiàn)了全閉環(huán)控制，通過摸索，形成一套簡單而又行之有效的控制方法：
1、 全閉環(huán)位置控制電氣設(shè)置
全閉環(huán)位置環(huán)設(shè)置與半閉環(huán)相似，主要是對軸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)置時需注意的是指明所激活的位置環(huán)是第二位置環(huán)，并正確輸入反饋類型及極性，設(shè)置完成后，不需要回零減速開關(guān)，可進(jìn)行正向或負(fù)向回零，對于采用了距離編碼的光柵尺，軸只需要移動相鄰的兩個零脈沖以上的距離，系統(tǒng)便會找到零點。這種回零方式簡單、靈活、可靠。
2、 全閉環(huán)位置環(huán)補(bǔ)償
通過激光干涉儀的測量，發(fā)現(xiàn)各軸（光柵尺）有“縮水”現(xiàn)象，大約為0.01mm，為了提高設(shè)備精度，有必要對全閉環(huán)位置環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。由于采用的數(shù)控系統(tǒng)不同，補(bǔ)償方法也不同，以往我們只對FANUC、INDRAMART數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)償，對于西門子數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償還是第一次。具體方法為：
1> 由于補(bǔ)償參數(shù)的修改，可能造成NC系統(tǒng)內(nèi)存的從新分配，所以在進(jìn)行補(bǔ)償前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)、驅(qū)動參數(shù)等備份;
2> 修改參數(shù)MD38000，設(shè)置補(bǔ)償點，將參數(shù)MD32700=0，允許寫入補(bǔ)償值；
3> 將NC中相應(yīng)軸的補(bǔ)償文件ARCHIVE到硬盤中；
4> 將此文件拷貝到零件加工程序目錄下；
5> 打開此文件，刪除文件題頭，將補(bǔ)償數(shù)據(jù)逐個輸入；
6> 設(shè)備重新回零，并運行該零件加工程序；
7> 將參數(shù)MD32700=1，使補(bǔ)償值有效；
8> 設(shè)備重新回零，補(bǔ)償完成。
通過補(bǔ)償，各軸的移動精度都有所提高，為：小于0.01mm.
(二) 龍門軸的控制方法和應(yīng)用
為了提高X軸移動速度，X軸由X1、X0兩個伺服電機(jī)驅(qū)動，其中一個是主動軸，另一個是從動軸，它們有各自的位置環(huán)（光柵尺）反饋，為了使它們能進(jìn)行龍門式的同步動作， 關(guān)鍵是要解決回零的問題。龍門軸的回零與其它軸的回零有所不同，通過摸索，主要有以下幾個過程，在此進(jìn)行總結(jié)：
1、 主動軸回零：回零過程與非龍門軸一致，即：對主動軸發(fā)出回零命令，主動軸就按設(shè)置好的回零方式進(jìn)行回零，同時從動軸與主動軸同步運動；
2、 一旦主動軸回零完成，從動軸自動開始回零，同時，主動軸與從軸同步運動；
3、 當(dāng)主/從軸均完成回零后，它們需要進(jìn)行同步，如果此時主/從零點之間的距離值小于參數(shù) MD37110 中的數(shù)據(jù)，則同步自動完成，否則需進(jìn)行下一步；
4、 將主/從之間的差值輸入到主動軸的參數(shù)MD34090中，使參數(shù)激活；
5、 重新回零，主/從動軸重復(fù)上述1~2步，同步自動進(jìn)行，則回零完成。
（三）第三方主軸的應(yīng)用
在本項目中，采用的是瑞士CYTEC公司的電主軸，其額定功率為34KW，專為汽車工業(yè)中高效率節(jié)拍生產(chǎn)設(shè)計，適用于銑削、鉆削和攻絲等
加工。由于它是非西門子公司產(chǎn)品，則要保證電主軸的各項電氣參數(shù)與西門子驅(qū)動和系統(tǒng)匹配，主要的電氣參數(shù)是電主軸的額定電壓、阻抗、頻率以及溫度傳感器、編碼器信號等，下表是電主軸的電氣參數(shù)：
電機(jī)類型 | 內(nèi)置異步電機(jī) |
額定功率 | 34KW |
額定轉(zhuǎn)速 | 6000RPM |
額定扭矩 | 59NM |
最高轉(zhuǎn)速 | 22000RPM |
額定電流 | 96A |
電機(jī)極數(shù) | 4 |
電機(jī)溫度監(jiān)控 | KTY84-130 |
外接電感 | 0.3 mh |
軸承溫度監(jiān)控 | PT100 |
編碼器信號形式 | 1VPP |
將以上電主軸參數(shù)和其它相關(guān)共30多個參數(shù)輸入到系統(tǒng)驅(qū)動參數(shù)中，進(jìn)行試運行，將主軸速度由低逐漸向高調(diào)整，觀察驅(qū)動器輸出的情況，調(diào)整主軸速度環(huán)增益，使驅(qū)動輸出在一定范圍內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)，即可。
五、結(jié)束語
通過對高速加工中心的第二輪開發(fā)，更換了控制系統(tǒng)，在設(shè)計和調(diào)試中，解決了第一輪開發(fā)存在的Y軸響應(yīng)低等諸多問題，掌握了西門子840D中關(guān)于驅(qū)動、電源選型、龍門軸控制、第三方主軸控制等高速加工中心特有的控制方法，為我廠在后續(xù)項目的設(shè)計和開發(fā)上提供了技術(shù)儲備。
