朱俊，朱良峰

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備學(xué)院，江蘇常州 213164；2.江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇常州 213150)

0 前言

數(shù)控外圓磨床研磨工件時(shí)，如果工件的兩端都需要研磨，而工件中間部分截面尺寸較大，僅通過(guò)單側(cè)主軸上安裝的研磨頭進(jìn)行研磨加工，機(jī)床主軸在移動(dòng)時(shí)的控制十分繁瑣，需進(jìn)行兩次研磨才能完成對(duì)工件兩端的研磨工作，加工效率低，因此有必要研發(fā)配置雙主軸的數(shù)控磨床。

由于磨床不需要加工螺紋，剛性攻絲，也無(wú)換刀定向要求，砂輪主軸只有轉(zhuǎn)速控制，無(wú)轉(zhuǎn)角位置控制要求，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，一般選型變頻器控制模擬量主軸而非數(shù)字主軸，但數(shù)控系統(tǒng)往往只支持一個(gè)模擬量主軸，第二模擬主軸控制就成了亟待解決的問(wèn)題。一種方法是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的PLC輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)變頻器多段速功能選擇外部的電位器實(shí)現(xiàn)第二主軸的調(diào)速，這種方法既能擋位調(diào)速，也能無(wú)級(jí)調(diào)速，但速度無(wú)法由數(shù)控指令控制。另一種方法是外接PLC，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的PLC與外接的PLC點(diǎn)對(duì)點(diǎn)I/O連接，由外接PLC起D/A轉(zhuǎn)換的作用，實(shí)現(xiàn)模擬量電壓轉(zhuǎn)速指令輸出至變頻器，這種方法能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但I(xiàn)/O點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接硬件接線復(fù)雜，且第二主軸編碼器無(wú)法接入至數(shù)控系統(tǒng)中。本文作者應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)非調(diào)試階段閑置的以太網(wǎng)口，提出一種基于Profinet總線的雙主軸數(shù)控磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，第二模擬主軸控制采用SINUMERIK 808D AD數(shù)控系統(tǒng)與S7-1200 PLC之間的S7通信實(shí)現(xiàn)，不但能夠無(wú)級(jí)調(diào)速還能連接編碼器；通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)自定義界面的二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制作雙主軸磨床定制畫面，將第二主軸的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上，實(shí)現(xiàn)第二主軸的完整控制功能。

1 整體設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，硬件上808D AD通過(guò)其模擬主軸輸出接口和主軸編碼器接口連接第一模擬主軸和編碼器，再通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的以太網(wǎng)口Profinet總線、S7通信協(xié)議連接一臺(tái)S7-1200 PLC擴(kuò)展第二模擬主軸接口，S7-1200全系列PLC標(biāo)配有高速計(jì)數(shù)器，可以直接連接第二主軸編碼器。

圖1 第二模擬主軸硬件連接示意

在軟件方面，數(shù)控系統(tǒng)側(cè)加工編程時(shí)第二模擬主軸用R參數(shù)代替S轉(zhuǎn)速指令，在原數(shù)控系統(tǒng)PLC程序的基礎(chǔ)上增添讀取寫入R參數(shù)的程序段，第二模擬主軸的轉(zhuǎn)向控制、手動(dòng)控制等也由數(shù)控系統(tǒng)側(cè)PLC程序完成。S7-1200 PLC側(cè)則使用TIA博途完成Profinet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，調(diào)用GET功能塊讀取遠(yuǎn)程數(shù)控系統(tǒng)R參數(shù)中所存放的第二模擬主軸轉(zhuǎn)速值至S7-1200 PLC的存儲(chǔ)單元，線性轉(zhuǎn)換后由模擬量模塊輸出指令電壓至變頻器。第二主軸的編碼器經(jīng)S7-1200高速計(jì)數(shù)器接口輸入后，S7-1200的PLC程序計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，由PUT功能塊將實(shí)際轉(zhuǎn)速寫入至遠(yuǎn)程數(shù)控系統(tǒng)側(cè)PLC的存儲(chǔ)器中，最后利用數(shù)控系統(tǒng)自定義界面開(kāi)發(fā)語(yǔ)言XML(可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言,Extensible Markup Language)將第二模擬主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示在HMI上。

2 硬件選型設(shè)計(jì)

硬件選型主要考慮經(jīng)濟(jì)型數(shù)控磨床的控制要求，主要包括數(shù)控系統(tǒng)、PLC、模擬量模塊和編碼器的選型。

2.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控磨床為兩軸插補(bǔ)控制機(jī)床，主軸與進(jìn)給軸無(wú)聯(lián)動(dòng)要求，西門子SINUMERIK 808D AD車床版標(biāo)配兩軸控制，在西門子數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品系列中定位為中低端，系統(tǒng)本身配備有1個(gè)模擬主軸輸出接口，再通過(guò)Profinet總線擴(kuò)展1個(gè)，同時(shí)支持用戶界面的二次開(kāi)發(fā)，能夠滿足雙主軸數(shù)控磨床的控制要求。

2.2 PLC CPU模塊

PLC首先需要支持Profinet通信，CPU模塊或通過(guò)擴(kuò)展模塊支持0～10 V電壓輸出。連接第二主軸編碼器，因此需要支持高速計(jì)數(shù)器接口，考慮到第二模擬主軸最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，采用600 p/r的編碼器時(shí)，產(chǎn)生的脈沖頻率為20 kHz，CPU模塊的高速計(jì)數(shù)器能夠接收的脈沖頻率必須大于該值。綜合考慮多種因素，最終選定的S7-1200 PLC CPU型號(hào)為CPU1215C，A、B相輸入時(shí)允許頻率為80 kHz、單相輸入時(shí)允許頻率為100 kHz，完全滿足要求。

2.3 模擬量擴(kuò)展模塊

選定的模擬量擴(kuò)展模塊型號(hào)為SM1232，2個(gè)模擬量輸出通道( -10～10 V)輸出，由于第二模擬主軸轉(zhuǎn)向由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC控制，模擬量擴(kuò)展模塊只會(huì)輸出轉(zhuǎn)速指令信號(hào)，因此只會(huì)使用到0～10 V的范圍。

2.4 第二主軸編碼器

第二主軸編碼器用于完成第二主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的檢測(cè)，由于連接的是PLC的高速計(jì)數(shù)口，輸出信號(hào)的形式為NPN型或PNP型，與第一主軸編碼器差分信號(hào)不同。最終，第二主軸編碼器選型為K3808-600BS、600 p/r、NPN型。

電氣控制柜如圖2所示。

圖2 雙主軸數(shù)控磨床電氣控制柜

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括三大部分:數(shù)控加工程序、PLC程序和自定義界面開(kāi)發(fā)腳本程序。

3.1 數(shù)控加工程序

第二模擬主軸轉(zhuǎn)向、啟停使用數(shù)控系統(tǒng)的自定義M代碼M96、M97、M98實(shí)現(xiàn)。定義R參數(shù)R3為轉(zhuǎn)速指令存放存儲(chǔ)器，第二模擬主軸數(shù)控加工程序示例如下：

R3=1000 //設(shè)置第二模擬主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min

M96 //主軸正轉(zhuǎn)

G91G01X5F100 //軸直線運(yùn)行5 mm

M98 //主軸停止

R3=1500 //設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1500 r/min

M97 //主軸反轉(zhuǎn)

G4F4 //暫停4 s

M98 //主軸停止

3.2 PLC程序

第二模擬主軸PLC程序一部分在808D AD中運(yùn)行，另一部分在S7-1200 PLC中運(yùn)行，協(xié)同處理流程如圖3所示。

圖3 第二模擬主軸轉(zhuǎn)速協(xié)同處理流程

其中，讀取R3的PLC程序如圖4所示，該程序段實(shí)現(xiàn)了每次運(yùn)行M96或者M(jìn)97，將R3中存放的轉(zhuǎn)速指令更新至MD80。DB1200.DBB1 PLC→NCK 接口變量控制讀R參數(shù)的個(gè)數(shù)，DB1200.DBB1000賦值5控制讀取的是R參數(shù)類型NC變量，DB1200.DBW1002控制讀取的是R3。

圖4 R3轉(zhuǎn)速指令讀取

數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC MD80中的轉(zhuǎn)速指令通過(guò)S7-1200 MAIN程序中GET功能塊遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)存至DB1數(shù)據(jù)塊，GET功能塊如圖5所示。輸入?yún)?shù)ID為Profinet網(wǎng)絡(luò)ID，提前完成了該網(wǎng)絡(luò)S7通信雙方IP地址的設(shè)定，機(jī)架插槽號(hào)、網(wǎng)絡(luò)ID等的設(shè)定，GET功能塊使用網(wǎng)絡(luò)ID選擇承載該遠(yuǎn)程通信的物理網(wǎng)絡(luò)。由于R參數(shù)讀取的是實(shí)數(shù)，而模擬量模塊輸出為整型，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

圖5 GET功能塊

0～10 V模擬量轉(zhuǎn)速指令輸出至變頻器，檢測(cè)主軸電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速的編碼器連接至S7-1200 PLC的高速計(jì)數(shù)口。計(jì)數(shù)器的工作模式由相應(yīng)的變量位控制，需要通過(guò)編寫PLC程序?qū)懭胱兞课豢刂朴?jì)數(shù)器的運(yùn)行，但博途編程軟件已經(jīng)將此工作圖形化了，在窗口設(shè)定即可，如圖6所示。

圖6 高速計(jì)數(shù)器的設(shè)定窗口

計(jì)數(shù)類型設(shè)定為頻率，高速計(jì)數(shù)器輸出的結(jié)果直接就是頻率值，編碼器線數(shù)為600 p/r，經(jīng)過(guò)計(jì)算就能得出實(shí)際轉(zhuǎn)速，最終以DINT數(shù)據(jù)類型存放在數(shù)控系統(tǒng)的MD20中。另外，由于高速計(jì)數(shù)輸入和一般開(kāi)關(guān)量輸入不同，高速計(jì)數(shù)通道I0.0和I0.1的濾波時(shí)間設(shè)定為3.2 μs，與20 kHz的最高輸入頻率相匹配。

3.3 用戶界面的二次開(kāi)發(fā)

由于數(shù)控系統(tǒng)的出廠HMI針對(duì)車床加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，為提升雙主軸數(shù)控磨床這種非通用型數(shù)控機(jī)床界面的友好性，同時(shí)將擴(kuò)展的第二模擬主軸的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上，使用808D AD數(shù)控系統(tǒng)支持的XML語(yǔ)言完成用戶界面的二次開(kāi)發(fā)。第二模擬主軸的實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示代碼如下：

//顯示第二模擬主軸的指令轉(zhuǎn)速

//顯示第二模擬主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速

圖7所示為二次開(kāi)發(fā)的用戶界面，“S1”“S2”后顯示的數(shù)值分別為第一、第二模擬主軸的指令轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖7 雙主軸數(shù)控磨床用戶自定義界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者利用數(shù)控系統(tǒng)非調(diào)試階段閑置的以太網(wǎng)口，提出一種基于Profinet總線的雙主軸數(shù)控磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：由于采用了總線通信，其抗干擾能力強(qiáng)，第二模擬主軸的轉(zhuǎn)速誤差可以控制在10%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了使用中低端普及型數(shù)控系統(tǒng)控制兩個(gè)模擬主軸的功能，在經(jīng)濟(jì)型雙主軸數(shù)控磨床上得到了很好的應(yīng)用。S7-1200 PLC還能輸出位置控制的高速脈沖，因此不僅是主軸的轉(zhuǎn)速控制，只要是與現(xiàn)有的、非聯(lián)動(dòng)的進(jìn)給軸或主軸的位置控制，都可以基于Profinet總線將相關(guān)的控制移至PLC端完成，數(shù)控系統(tǒng)只需要發(fā)出指令即可。這也為808D AD數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)啟了廣闊的空間。