李昊男

摘 要：SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)運行過程中，進給速度及主軸轉(zhuǎn)速分別由控制面板的進給倍率旋鈕與主軸倍率旋鈕控制，速度調(diào)節(jié)依賴操作人員經(jīng)驗，加工過程隨機、保守。文章針對機床利用效率低的問題，對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進。新改進的智能加工系統(tǒng)PLC模塊主要完成接收工控機發(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，同時在線調(diào)整數(shù)控機床加工過程中進給倍率或主軸倍率，實現(xiàn)切削力的在線優(yōu)化。通過實驗驗證，該改造后的智能加工系統(tǒng)能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機床在加工過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模塊主要完成機床控制中與邏輯運算有關(guān)的動作，同時接收機床操作面板的指令。PLC模塊對機床動作沒有軌跡上的具體要求，加工過程中PLC也可將某些指令送往CNC用于加工過程的控制。

目前，數(shù)控機床加工過程中倍率控制由人工操作，加工效率與加工質(zhì)量主要依賴操作人員經(jīng)驗，因此加工過程隨機、保守，不能最大程度利用機床，也不能根據(jù)瞬時工況實時調(diào)整。文章針對上述問題，對SINUMERIK 802Dsl的PLC模塊進行改進，實現(xiàn)在加工過程中實時調(diào)整進給與轉(zhuǎn)速，最大效率地使用機床，避免資源浪費。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)對機床最大程度的利用，針對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，如圖1中虛線框所示。新改進的智能加工系統(tǒng)PLC模塊主要完成機床加工過程中進給倍率或主軸倍率的在線調(diào)整，接收工控機發(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。

1.1 倍率在線控制原理

智能加工系統(tǒng)啟動后，工控機向PLC模塊發(fā)送獲取系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號，PLC模塊接收信號后向工控機發(fā)送數(shù)控系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)信息（包括進給倍率、進給速度、主軸倍率及主軸轉(zhuǎn)速），同時監(jiān)測加工過程中的切削力。調(diào)節(jié)模塊根據(jù)監(jiān)測所得實際切削力與設(shè)定切削力對比分析計算倍率修正值，倍率修正值自工控機輸出，經(jīng)信號轉(zhuǎn)換板發(fā)送至PLC 模塊，PLC模塊啟動相應程序?qū)崟r在線控制切削參數(shù)，確保實際切削力保持在設(shè)定切削力值附近。信號轉(zhuǎn)換板完成工控機與數(shù)控系統(tǒng)之間的信號格式轉(zhuǎn)換。倍率在線控制原理如圖1所示。

SINUMERIK 802Dsl通過格雷碼控制進給倍率與主軸倍率，進給倍率對應的格雷碼為5位，其對應第一個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，其對應輸入端口地址為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)整進給倍率或主軸倍率，其主要依據(jù)實際加工切削力的狀況。若實際切削力比設(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所列的進給倍率值及主軸倍率值為倍率修正值的可調(diào)整值，若計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的倍率值。

1.2 主程序設(shè)計及參數(shù)定義

主程序接收由工控機發(fā)送的指令，包括選擇啟動系統(tǒng)（智能/原始系統(tǒng)）、設(shè)置修正進給倍率、設(shè)置修正主軸倍率、獲取名義進給、獲取當前進給倍率、獲取名義速度、獲取當前主軸倍率，指令及對應控制功能如表3所示。

表3 指令及對應控制功能

數(shù)控機床啟動后，工控機首先向PLC模塊發(fā)送指令A8，啟動智能加工系統(tǒng)，同時主程序啟動，此時控制面板進給倍率旋鈕及主軸倍率旋鈕對數(shù)控機床的控制作用失效。系統(tǒng)將控制面板對應的系統(tǒng)原有進給倍率值傳輸至NCK通道、坐標軸和主軸，避免啟動智能加工系統(tǒng)初期，工控機未向PLC模塊發(fā)送倍率值時出現(xiàn)的“控制面板接線故障”報警信息[3]。程序正常運行后，由IO接口輸入的二進制修正倍率格雷碼將會覆蓋原有系統(tǒng)倍率格雷碼，調(diào)整進給速度或主軸轉(zhuǎn)速。輸入A7指令，退出智能加工系統(tǒng)并啟動原始系統(tǒng)，恢復控制面板倍率旋鈕對機床的控制作用。當數(shù)控系統(tǒng)啟動后，若工控機未向PLC模塊發(fā)送啟動系統(tǒng)指令A7或A8，默認啟動原始系統(tǒng)。程序運行中出現(xiàn)異常情況時，送往通道的進給停止信號（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，按復位鍵消除進給保持，系統(tǒng)繼續(xù)正常工作[4]。

802Dsl提供了一個512字節(jié)的公共存儲器（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)變量對該存儲器進行讀寫[5]。文章利用公共存儲器中未被系統(tǒng)使用的地址進行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公共存儲器使用地址定義

1.3 指令/數(shù)據(jù)傳輸

擴展的第二個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 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)送順序為先發(fā)送指令，系統(tǒng)接收完成后再發(fā)送該指令對應的數(shù)據(jù)。工控機及PLC模塊在檢測接收方處于空閑狀態(tài)時發(fā)送指令或數(shù)據(jù)，否則排隊等待。

2 子系統(tǒng)設(shè)計

改進PLC模塊中包含六個子程序，分別實現(xiàn)表3所示A1～A6六個指令的相應功能。主程序啟動后，工控機根據(jù)加工狀況向PLC模塊發(fā)送指令，PLC模塊接收指令后調(diào)用相應子程序?qū)崿F(xiàn)對應功能[8]。

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

根據(jù)系統(tǒng)采集的實際切削力與設(shè)定的切削力比較分析，由工控機倍率模塊計算得出進給倍率修正最優(yōu)值。在工控機發(fā)送設(shè)置修正進給倍率指令（A1）之前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送進給倍率控制指令I(lǐng)B9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1，當工控機檢測到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進給倍率格雷碼，VB49000032存儲由IB9輸入的進給倍率格雷碼，PLC將接收的進給倍率格雷碼送至各坐標軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進給倍率，達到加工過程中自動控制進給倍率的目的。

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

工控機倍率模塊計算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進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，工控機向PLC模塊發(fā)送的進給倍率格雷碼存放于公共存儲器地址VB49000033。一般地，加工過程中調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，工件表面質(zhì)量無法保證，同時刀具會產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預知的損壞。因此，實際加工過程中尤其在精加工時，不采用調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進給速度[6]。將F值存入公共存儲器。如NC代碼中進給速度為F500時，在此語句后寫入語句$A_DBW[34]=500，此時F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當前NC代碼設(shè)置的進給速度。在工控機發(fā)送獲取名義進給速度指令（A3）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向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標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進給速度，工控機接收發(fā)送指令A3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位后，即可向工控機發(fā)送進給速度。由于進給速度為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，工控機接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進給速度。

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

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，工控機根據(jù)需要獲取數(shù)控機床加工當前進給倍率值，此時需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請求指令。在工控機發(fā)送獲取當前進給倍率指令（A4）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向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標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進給倍率格雷碼，工控機接收發(fā)送指令A4后，工控機讀數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位，由送至NCK通道信號地址VB32000004獲取當前進給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機發(fā)送，工控機接收并存儲。

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

智能系統(tǒng)加工過程中， 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)變量語句為$A_DBW。

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

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

3 實驗驗證

為驗證改進智能加工系統(tǒng)的可靠性及準確性，制定如下實驗方案進行驗證。因調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實驗驗證切寬改變時，通過進給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設(shè)定切削力值附近。實驗儀器為：YHVT850Z四坐標數(shù)控加工實驗平臺、Kistler三向測力儀、電荷放大器及工控機，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機

圖2 實驗條件

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，無切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進給倍率40%，主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，主軸倍率為100%。當利用智能加工系統(tǒng)進行切削力控制時，設(shè)定最大進給倍率120%，通過控制進給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過實際加工得到如圖3所示實驗數(shù)據(jù)。

由上述實驗對比結(jié)果圖3可以看出，改進的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過程中，能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度，將最大切削力F控制在設(shè)定切削力500N附近。

4 結(jié)束語

文章對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，以實現(xiàn)對機床的最大程度利用。經(jīng)實驗驗證，在數(shù)控加工過程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機發(fā)送的進給倍率修正值及主軸倍率修正值，實現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機床在加工過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，外部工控機可通過PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進給速度、名義轉(zhuǎn)速、當前進給倍率及當前主軸倍率。

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)控機床的進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，控制過程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進系統(tǒng)在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)進給速度及主軸轉(zhuǎn)速的自動控制，加工過程理性規(guī)范，不再依賴于加工人員經(jīng)驗，對提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻

[1]SINUMERIC 802DSL簡明調(diào)試手冊[Z].西門子（中國）有限公司，2008，1.

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[6]李紀三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應用[J].機床電器，2008，2：12-14.

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

根據(jù)系統(tǒng)采集的實際切削力與設(shè)定的切削力比較分析，由工控機倍率模塊計算得出進給倍率修正最優(yōu)值。在工控機發(fā)送設(shè)置修正進給倍率指令（A1）之前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送進給倍率控制指令I(lǐng)B9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1，當工控機檢測到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進給倍率格雷碼，VB49000032存儲由IB9輸入的進給倍率格雷碼，PLC將接收的進給倍率格雷碼送至各坐標軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進給倍率，達到加工過程中自動控制進給倍率的目的。

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

工控機倍率模塊計算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進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，工控機向PLC模塊發(fā)送的進給倍率格雷碼存放于公共存儲器地址VB49000033。一般地，加工過程中調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，工件表面質(zhì)量無法保證，同時刀具會產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預知的損壞。因此，實際加工過程中尤其在精加工時，不采用調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進給速度[6]。將F值存入公共存儲器。如NC代碼中進給速度為F500時，在此語句后寫入語句$A_DBW[34]=500，此時F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當前NC代碼設(shè)置的進給速度。在工控機發(fā)送獲取名義進給速度指令（A3）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向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標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進給速度，工控機接收發(fā)送指令A3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位后，即可向工控機發(fā)送進給速度。由于進給速度為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，工控機接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進給速度。

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

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，工控機根據(jù)需要獲取數(shù)控機床加工當前進給倍率值，此時需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請求指令。在工控機發(fā)送獲取當前進給倍率指令（A4）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向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標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進給倍率格雷碼，工控機接收發(fā)送指令A4后，工控機讀數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位，由送至NCK通道信號地址VB32000004獲取當前進給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機發(fā)送，工控機接收并存儲。

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

智能系統(tǒng)加工過程中， 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)變量語句為$A_DBW。

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

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

3 實驗驗證

為驗證改進智能加工系統(tǒng)的可靠性及準確性，制定如下實驗方案進行驗證。因調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實驗驗證切寬改變時，通過進給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設(shè)定切削力值附近。實驗儀器為：YHVT850Z四坐標數(shù)控加工實驗平臺、Kistler三向測力儀、電荷放大器及工控機，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機

圖2 實驗條件

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，無切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進給倍率40%，主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，主軸倍率為100%。當利用智能加工系統(tǒng)進行切削力控制時，設(shè)定最大進給倍率120%，通過控制進給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過實際加工得到如圖3所示實驗數(shù)據(jù)。

由上述實驗對比結(jié)果圖3可以看出，改進的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過程中，能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度，將最大切削力F控制在設(shè)定切削力500N附近。

4 結(jié)束語

文章對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，以實現(xiàn)對機床的最大程度利用。經(jīng)實驗驗證，在數(shù)控加工過程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機發(fā)送的進給倍率修正值及主軸倍率修正值，實現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機床在加工過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，外部工控機可通過PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進給速度、名義轉(zhuǎn)速、當前進給倍率及當前主軸倍率。

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)控機床的進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，控制過程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進系統(tǒng)在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)進給速度及主軸轉(zhuǎn)速的自動控制，加工過程理性規(guī)范，不再依賴于加工人員經(jīng)驗，對提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

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

[6]李紀三，舒朝君，劉永，等.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應用[J].機床電器，2008，2：12-14.

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

根據(jù)系統(tǒng)采集的實際切削力與設(shè)定的切削力比較分析，由工控機倍率模塊計算得出進給倍率修正最優(yōu)值。在工控機發(fā)送設(shè)置修正進給倍率指令（A1）之前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向PLC模塊發(fā)送進給倍率控制指令I(lǐng)B9=A1，PLC模塊接收指令完畢后令相應標志位Q7.4=1，當工控機檢測到Q7.4置位后，向PLC發(fā)送進給倍率格雷碼，VB49000032存儲由IB9輸入的進給倍率格雷碼，PLC將接收的進給倍率格雷碼送至各坐標軸及主軸，從而控制數(shù)控加工的進給倍率，達到加工過程中自動控制進給倍率的目的。

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

工控機倍率模塊計算得出主軸倍率修正最優(yōu)值后，由工控機向PLC模塊發(fā)送主軸倍率信息。主軸倍率控制子程序與進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，工控機向PLC模塊發(fā)送的進給倍率格雷碼存放于公共存儲器地址VB49000033。一般地，加工過程中調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速，工件表面質(zhì)量無法保證，同時刀具會產(chǎn)生沖擊，從而出現(xiàn)不可預知的損壞。因此，實際加工過程中尤其在精加工時，不采用調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速的方法控制切削力。

2.3 獲取名義進給速度子程序（Acquire Feed Rate）

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，PLC模塊需獲得NC代碼中的名義進給速度[6]。將F值存入公共存儲器。如NC代碼中進給速度為F500時，在此語句后寫入語句$A_DBW[34]=500，此時F值被存入公共數(shù)據(jù)區(qū)VW49000034中，PLC可直接從VW49000034獲取當前NC代碼設(shè)置的進給速度。在工控機發(fā)送獲取名義進給速度指令（A3）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向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標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A3，告知其即將傳輸進給速度，工控機接收發(fā)送指令A3后，其讀取數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位后，即可向工控機發(fā)送進給速度。由于進給速度為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，工控機接受高低位數(shù)據(jù)后還原并保存進給速度。

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

啟動改進PLC模塊進行在線控制時，工控機根據(jù)需要獲取數(shù)控機床加工當前進給倍率值，此時需向PLC系統(tǒng)發(fā)送請求指令。在工控機發(fā)送獲取當前進給倍率指令（A4）前，需檢測PLC系統(tǒng)狀態(tài)，當其處于空閑時，工控機向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標志位Q7.4=1。隨后PLC系統(tǒng)檢測工控機狀態(tài)，當其處于空閑時，PLC系統(tǒng)首先向工控機發(fā)送指令QB6=A4，告知其即將傳輸進給倍率格雷碼，工控機接收發(fā)送指令A4后，工控機讀數(shù)據(jù)完畢標志位I10.4=1，PLC檢測到I10.4置位，由送至NCK通道信號地址VB32000004獲取當前進給倍率格雷碼，最后由輸出端口QB6向工控機發(fā)送，工控機接收并存儲。

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

智能系統(tǒng)加工過程中， 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)變量語句為$A_DBW。

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

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

3 實驗驗證

為驗證改進智能加工系統(tǒng)的可靠性及準確性，制定如下實驗方案進行驗證。因調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速影響工件質(zhì)量及刀具壽命，本實驗驗證切寬改變時，通過進給速度的調(diào)節(jié)控制切削力在設(shè)定切削力值附近。實驗儀器為：YHVT850Z四坐標數(shù)控加工實驗平臺、Kistler三向測力儀、電荷放大器及工控機，如圖2所示。

（c） 電荷放大器 （d） 工控機

圖2 實驗條件

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，無切削液。初始切削寬度為0mm，隨著切削時間的增加，切寬線性增加，直到切寬為20mm時切出。初始切削速度恒為1000mm/min，進給倍率40%，主軸轉(zhuǎn)速2500r/min，主軸倍率為100%。當利用智能加工系統(tǒng)進行切削力控制時，設(shè)定最大進給倍率120%，通過控制進給倍率將最大切削力控制在500N附近。通過實際加工得到如圖3所示實驗數(shù)據(jù)。

由上述實驗對比結(jié)果圖3可以看出，改進的SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊在變切寬的加工過程中，能夠快速、準確地在線調(diào)節(jié)進給速度，將最大切削力F控制在設(shè)定切削力500N附近。

4 結(jié)束語

文章對SINUMERIK 802Dsl系統(tǒng)PLC模塊進行改進，以實現(xiàn)對機床的最大程度利用。經(jīng)實驗驗證，在數(shù)控加工過程中，該智能加工系統(tǒng)能夠接收外部工控機發(fā)送的進給倍率修正值及主軸倍率修正值，實現(xiàn)根據(jù)切削力在線調(diào)整進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，使得機床在加工過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，外部工控機可通過PLC模塊獲取數(shù)控系統(tǒng)名義進給速度、名義轉(zhuǎn)速、當前進給倍率及當前主軸倍率。

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)控機床的進給速度及主軸轉(zhuǎn)速，控制過程穩(wěn)定可靠。相比于原始系統(tǒng)，改進系統(tǒng)在加工過程中能夠?qū)崿F(xiàn)進給速度及主軸轉(zhuǎn)速的自動控制，加工過程理性規(guī)范，不再依賴于加工人員經(jīng)驗，對提高加工效率及系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大意義。

參考文獻

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