高 山

(威海華東數(shù)控股份有限公司，山東 威海264200)

西門子SINUMERIK808D 數(shù)控系統(tǒng)最多配置1 個(gè)模擬量主軸，如果在應(yīng)用時(shí)需要配置兩個(gè)模擬量主軸時(shí)，808D 系統(tǒng)無(wú)法滿足要求，第二模擬量主軸的轉(zhuǎn)速只能通過(guò)電位器或按鍵來(lái)控制，不僅控制精度低，而且手動(dòng)控制也達(dá)不到數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化控制的要求。在不更換系統(tǒng)前提下，本文通過(guò)增加S7 - 200 模塊CPU224XP 和應(yīng)用系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)了808D 數(shù)控系統(tǒng)控制兩個(gè)模擬量主軸。

1 整體設(shè)計(jì)方案

因808D 系統(tǒng)只有一路模擬量輸出接口，而且不能擴(kuò)展I/O，所以要達(dá)到控制兩個(gè)模擬量主軸的要求必須在硬件上增加一路模擬量輸出。如圖1 所示，在808D 系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器之間增加 S7 - 200 模塊CPU224XP，作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器。軟件上，在系統(tǒng)內(nèi)部NC加工程序中，應(yīng)用自定義M 代碼控制主軸啟動(dòng)、停止，使用R 參數(shù)代替S 轉(zhuǎn)速指令。系統(tǒng)內(nèi)PLC 程序?qū)C指令中的轉(zhuǎn)速數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)DI/DO 輸出至S7 -200 模塊CPU224XP 的輸入點(diǎn)，在CPU224XP 內(nèi)PLC 程序?qū)?shù)字?jǐn)?shù)值轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)值通過(guò)AI/AO 輸出給驅(qū)動(dòng)器，達(dá)到控制主軸轉(zhuǎn)速的目的。

2 主要硬件配置介紹

(1)數(shù)控系統(tǒng)808D是基于操作面板的緊湊型數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 808D 車削和SINUMERIK 808D銑削，配置SINAMICS V60 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和SIMOTICS 1FL5伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于普及型數(shù)控車床、數(shù)控銑床及立式加工中心。

(2)S7-200 模塊CPU224XP 只是在本文中選取的1 個(gè)模塊，也可以采用其他模塊代替。但模塊的選擇遵循兩個(gè)要點(diǎn)，第一是必須具備模擬量輸出點(diǎn)，能輸出-10 ～+10 V 電壓。第二就是數(shù)字量輸入的點(diǎn)數(shù)要跟指令轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)起來(lái)。在進(jìn)行NC 加工編程時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速一般設(shè)為整數(shù)，這個(gè)數(shù)值可以用二進(jìn)制表示，例如指令R2=200 時(shí)，二進(jìn)制表示為:11001000，在數(shù)值轉(zhuǎn)換時(shí)，8個(gè)輸入點(diǎn)最高設(shè)置轉(zhuǎn)速數(shù)值為28=256，有8 個(gè)輸入點(diǎn)就能滿足要求，如果主軸轉(zhuǎn)速最高1 000 r/min 時(shí)就需要210=1024，即10 個(gè)輸入點(diǎn)來(lái)處理，以此類推，選取與最高轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的模塊。

(3)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率模塊，多為帶模擬量控制接口的變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含NC 程序部分和PLC 編寫部分。

3.1 NC 程序設(shè)計(jì)部分

第二模擬量主軸的正反轉(zhuǎn)和停止指令應(yīng)用系統(tǒng)的自定義M 代碼功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，用M23 指令控制主軸正轉(zhuǎn)，M24 指令控制主軸反轉(zhuǎn)，M25 指令控制主軸停止。選取R 參數(shù)R2 來(lái)定義和存儲(chǔ)主軸轉(zhuǎn)速指令，NC 程序示例如下:

R2 =200 //設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min

M23 //主軸正轉(zhuǎn)

G91G01X100F500 //X 軸直線運(yùn)行100 mm

M25 //主軸停止

R2 =100 //設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min

M24 //主軸反轉(zhuǎn)

G4F3 //暫停3 s

M25 //主軸停止

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)部分

PLC 程序部分主要包括啟動(dòng)停止控制和轉(zhuǎn)速指令的轉(zhuǎn)換控制。

如圖2 所示，第二主軸啟動(dòng)停止指令的PLC 程序中，NC 程序指令M 代碼執(zhí)行后傳送到PLC，PLC 程序處理后通過(guò)I/O 點(diǎn)將指令轉(zhuǎn)換為動(dòng)作輸出至驅(qū)動(dòng)器。

因第二主軸轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)在R 參數(shù)中，所以首先PLC要利用系統(tǒng)功能讀取R 參數(shù)中的速度數(shù)值。如圖3所示，DB1200. DBB1 設(shè)為1，讀/寫變量的數(shù)量為1。DB1200. DBB1000 設(shè)為5，選擇讀取的數(shù)據(jù)類型為R參數(shù)。DB1200. DBB1002 設(shè)為3，讀取的R 參數(shù)號(hào)+1，即讀取的是R2。

讀取的R 參數(shù)數(shù)值存儲(chǔ)在PLC 中的存儲(chǔ)空間MB40 中，然后如圖4 所示，通過(guò)PLC 的I/O 點(diǎn)，將MB40 中的數(shù)字量信號(hào)輸出。

輸出的數(shù)字量信號(hào)傳送給CPU224XP 模塊的數(shù)字量輸入點(diǎn)后，如圖5 所示，在CPU224XP 模塊中，將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)后通過(guò)模擬量輸出點(diǎn)AO 輸出給驅(qū)動(dòng)器，這樣驅(qū)動(dòng)器就能按照NC 編程指令的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。另外，使用測(cè)速儀對(duì)主軸測(cè)速，將誤差值在PLC程序中進(jìn)行調(diào)整，能達(dá)到對(duì)主軸更精確的轉(zhuǎn)速控制。

4 結(jié)語(yǔ)

SINUMERIK 808D 系統(tǒng)本身是普及型系統(tǒng)，在盡量避免增加成本的應(yīng)用中，達(dá)到控制兩個(gè)模擬量主軸的要求，這種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)便易行、切實(shí)可靠，在我公司生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控外圓磨上應(yīng)用，取得很好的操作性和經(jīng)濟(jì)性的效果。但這種方案也有其局限性:不能對(duì)主軸進(jìn)行位置控制，不能進(jìn)行定向、攻絲、車螺紋等操作，只能進(jìn)行速度控制。在SINUMERIK其他系統(tǒng)中，例如828D、840D sl，如果實(shí)際應(yīng)用中也有只要求速度控制的主軸或旋轉(zhuǎn)軸，在不需要額外增加系統(tǒng)軸選項(xiàng)的情況下也可以采用這種簡(jiǎn)便的控制方案。

［1］SINUMERIK 808D 功能手冊(cè)［Z］.2012.

［2］SINUMERIK 808D 電氣安裝手冊(cè)［Z］.2012.

［3］S7 -200CN 可編程控制器產(chǎn)品樣本［Z］.2012.

［4］韓戰(zhàn)濤. 西門子S7 -200 PLC 編程與工程實(shí)例詳解［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2013.