西门子自动化产品在冲压开卷线上的应用.docx
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西门子自动化产品在冲压开卷线上的应用
SINUMERIK840D数控系统在改造
数控仿形铣中自动换刀程序的设计
曾毅
(神龙汽车有限公司通用技术分部)
摘要:
本文结合神龙汽车有限公司冲压工厂法国FOREST-LINE数控仿形铣加工中心数控系统改造的应用实例,主要分析介绍SINUMERIK840D数控系统在改造机床中自动换刀程序的编制及所遇难点。
关键词:
汽车模具加工数控仿形铣床840D系统PLC编程宏程序机床参数接口信号
一.项目简介
神龙汽车有限公司为国内三大轿车生产基地之一,其生产线及检测线设备主要从德国、法国、意大利、西班牙进口,自动化程度非常高。
各类SIMATIC自动化产品和软件在自动化生产线上得到大量使用,包括S7-400PLC(H级和F级)及FM功能模块、各类OP/MP人机操作面板、WINCC工控机、MICROMASTER变频器等,一些特殊设备如ABB机器人、INTRAMAT-CLC/CLM运动控制器等系统均配有PROFIBUS通信板以联入SIMATIC系统。
相对于SIMATIC自动化产品的广泛应用,SINUMERIK数控产品由于其专业性,主要用于冲压模具加工、发动机及变速箱制造等机加工设备上,冲压工厂数控铣系统改型即是SINUMERIK产品在神龙公司使用的一个实例。
神龙公司于1995年向法国FOREST-LINE公司购买了一台龙门式3+2轴数控仿形铣加工中心,用作汽车模具型面的加工及修改工作。
因机床的NUM760F数控系统严重老化,导致机床故障率高,模具加工精度差;同时由于数控系统内部功能的缺乏,导致某些特殊型面的模具加工无法完成,满足不了新车型模具加工的需求,为此我们在2005年对该机床的数控系统进行了改型,经过系统选型和方案比较,我们选用了SINUMERIK系列产品:
840D数控系统和611D伺服驱动,并配以1PH7/1FT6/1FK6系列电机。
本文将对SINUMERIK840数控系统在数控仿形铣床系统改造方面的应用作一些阐述和介绍。
二.数控仿形铣原有数控系统介绍
1机床整体描述
FOREST-LINE3+2轴数控仿形铣床为龙门式加工中心,工作台台面2m×4m,载重30t,X轴行程4500mm,Y轴行程3000mm,Z轴行程1200mm,W横梁轴行程640mm。
数控仿形铣加工中心配有刀具库和附件库,刀具库为旋转盘式,可容纳30把刀具;附件库有3个附件头,它们分别为:
RM40多功能铣头、AL40加长铣头、护板铣头。
数控仿形铣加工中心有1个主轴;7个数控轴:
X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴、刀库轴、附件轴;一个PLC轴:
W横梁轴。
其中X/Y/Z三轴可插补联动,若使用RM40多功能铣头则增加A轴和C轴,C轴由主轴电机驱动,且A轴和C轴均由鼠牙盘定位;W轴为横梁轴,不属于数控轴,由受控于数控系统PLC的一台LS变频器驱动,只有上下两个极限位置,属PLC轴。
由以上描述知3+2轴数控仿形铣加工中心实际上指插补联动的X/Y/Z三轴加上能实现斜面加工的A/C两轴。
X、Y、Z三轴的位置反馈采用HEIDENHAINLB326光栅尺,经EXE进行信号转接后联入NUM760F。
W轴横梁轴由LEROYSOMER变频器进行高低两位置的调节控制。
图1数控铣加工中心工艺布置图
2机床数控系统改造前配置简述
生产厂商:
FOREST-LINE(FRANCE)
数控系统:
NUM760F
驱动系统:
SIEMENS611A
进给电机:
SIEMENS1FT5
主轴电机:
SIEMENS1PH6
编码器:
ROD426E/424E
光栅尺:
HEIDENHAINLB326
信号转换:
HEIDENHAINEXE934
扫描系统:
RENISHAWTRACECUT
CAD/CAM:
CIMATRONE
三.SINUMERIK840D数控系统在数控铣上的组态描述
1840D系统改造主要配置列表
1
NCUboxforNCUwithpowerunit,batteryandfan
840D系统安装盒,电池,风扇
1
2
NCU573.4withoutsystemsoftware,Pentium,PLC317-2DP,3MNC,128KPLC
840D系统控制单元NCU573.4,PLC317-2DP(系统软件在PC卡内)
1
3
NCUsinglelicenseforexportcurrentsoftwarereleaseonPCcard,12axes
12轴NC系统软件(PC卡内)
1
4
Additionalaxis/spindle(withmorethan5axes)
附加轴
4
5
Additionalchannel
附加通道
1
6
Setpointexchange
设定交换功能(用于主轴/C轴驱动交换)
1
7
810D/840DToolbox
840D调试工具
1
8
PCU50PII566/256MSDRAMwithWindowsXPProEmbSys
PCU50PII566/256MSDRAMXP系统,带以太网卡
1
9
HMI-AdvancedsinglelicenseforcurrentsoftwarereleaseonthePCUharddisk
HMI软件(在PCU硬盘内)
1
10
OP010TFT10.4"(640X480)withmembranekeys
OP010液晶显示器
1
11
19"machinecontrolpanel,membranekeys,MPI
机床操作面板(隔膜按键,MPI接口)
1
12
Incrementalencodersin/cos1Vpp,1mcablewithconnector,1024S/R
1024线1Vpp编码器主轴反馈
1
13
32DI,DC24V
32位PLC输入模块DC24V
5
14
16DO,DC24V,2A
16位PLC输出模块DC24V
6
15
IM361
PLC扩展接口模块
2
16
Stabilizedpowersupply24V/20A,~400V
DC24V稳压电源
1
17
I/RFinfeedmodule80kw
61180kw电源模块
1
18
MainsfilterpackageforI/RFinfeedmodule80kw
80kw滤波电抗器
1
19
Overvoltagelimitermoduleforinfeedmodulesof10kwormore
限压模块
1
20
Single-axispowermodule(50mm)4/8A||3/6A||3/3/3A
4/8A功率模块(A轴)
1
21
Single-axispowermodule(100mm)40/80A||28/56A||30/40/51A
28/56A功率模块(X、Y、Z轴)
3
22
Single-axispowermodule(300mm)100/200A||70/140A||85/110/127A
85/110/127A功率模块(主轴)
1
23
Daul-axispowermodule(50mm)2*12.5/25A||2*9/18A||8/10/16A
双轴功率模块2*9/18A(刀库、附件轴)
1
24
Monitoringmodule,withhousing
监控模块
1
25
611Dstandardcontrol2,directmeasuringsystem,dual-axis
611D控制模块(双轴)
6
26
2000rpm,50Nm
50Nm1FT6电机,Y轴
1
27
2000rpm,50Nm,Brake
50Nm1FT6电机,Z轴,带抱闸
1
28
3000rpm,incrementalencodersin/cos1Vpp,13Nm
13Nm1FT6电机,刀库、附件轴
2
29
1500rpm,37kw
37kw1500rpm1PH7主轴电机
1
30
6000rpm,1.1Nm
1.0Nm1FT6电机,A轴
1
31
2000rpm,70Nm
70Nm1FT6电机,X轴
1
32
SVE
光栅信号转换器,将电流信号转为电压信号(原LB326光栅尺为电流信号,保留)
3
33
handwheel
B-MPI型手持单元
1
2机床数控系统改造后的配置简述
●NCU数控单元
数字控制核心NCK的硬件装置。
NCU单元集成了SINUMERIK840DCNCCPU和S7-300PLCCPU芯片,包括数控软件和PLC软件。
数控铣系统选型为NCU573.5
●人机交互装置
数控铣加工中心选用PCU50,其人机操作界面选用OP010及MCP,两者建立起SINUMERIK840D系统与机床操作人员之间的交互界面。
同时配备HHU手持单元。
●可编程序控制器PLC
SINUMERIK840D系统集成了S7-300-2DP的PLC,并通过通讯模块IM361扩展外部的I/O模块。
数控铣系统选型为S7-317-2DP。
●驱动装置
数控铣系统伺服驱动选型为SIMODRIVE611D,配以1FT6/1FK6系列进给电机和1PH7系列主轴电机。
数控铣数控系统安装布置示意图如下:
图2数控铣数控系统安装布置示意图
3数控铣数控系统配置概述
图3数控铣840D数控系统配置示意图
4外挂系统的组成
X、Y、Z三轴的位置反馈仍采用HEIDENHAINLB326光栅尺,经SIEMENSSUV进行信号转接后联入840D系统。
W轴横梁轴仍采用受控于840D系统PLC的LEROYSOMER变频器进行高低两位置的调节控制。
CAD/CAM三维图形编程仍采用CIMATRONE,但其后置处理程序是针对840D系统重新编制的。
测量系统仍采用RENISHAW测头,但改用无线接收的找正系统。
四.SINUMERIK840D系统在数控仿形铣改造中自动换刀程序的编制
在采用SINUMERIK840D改造数控铣数控系统的工作中,自动换刀程序的编制为一个难点。
在机床加工过程中,依据零件加工程序中对刀具的要求对刀库中30把刀具中的目标刀具进行准确地选择换刀、自动补偿、自动连续加工;有时候需先退刀,然后更换合适所选刀具的附件头,最后再挂刀加工;有时候则需根据所要更换刀具或附件的长度要求自动调整横梁W轴的高低位,这就是自动换刀程序要实现的功能,特别是后两种情形较为复杂,对于换刀、换附件、横梁换位后进行连续加工时各轴定位的精度要求非常高,故程序编制较为复杂。
1.宏程序的编制
数控铣系统改造中自动换刀程序主要是通过编写宏程序,联系相关机器参数、接口信号及PLC程序来实现的。
与自动换刀程序有关的宏程序列表如下:
●CONTROL1/CONTROL2(保护盖板拾起/卸下控制程序)
●CONTROL3/CONTROL4(AL40拾起/卸下控制程序)
●CONTROL5/CONTROL6(RM40拾起/卸下控制程序)
●CONTROL7(主轴刀具返回刀库控制程序)
●CONTROL8/CONTROL9(系统取刀/刀具返回控制程序)
●CONTROL10(刀具自动交换程序)
●CONTROL11/CONTROL12/CONTROL13(保护盖板/AL40/RM40自动交换控制程序)
●CONTROL14/CONTROL15(A轴夹紧/松开控制程序)
●CONTROL16/CONTROL17(C轴夹紧/松开控制程序)
●CONTROL18-CONTROL21(C轴旋转0/90/180/270控制程序)
●CONTROL22/CONTROL23(横梁上升/下降控制程序)
●CONTROL35/CONTROL36(X,Y,Z轴/U,V轴回零控制程序)
上述与自动换刀有关的宏程序有部分被定义为M功能由零件加工程序直接编程时使用,有些则由宏程序在其内部调用,如CONTROL1-CONTROL9。
下面对CONTROL10的源程序进行详细的解读:
CONTROL10(刀具自动交换程序)
N10PROCCONTROL10SAVESBLOFDISPLOF\\关闭单段及显示,保存摸态
N20STOPRE\\进刀停止
N30IF$P_SIM==1GOTOFLABEL11\\模拟时程序跳转到LABEL11
N40IF$A_IN[16]==1GOTOFLABEL11\\如指令刀具=主轴当前刀具时程序跳转到LABEL11
N50LAB1:
IF($A_IN[39]==1)GOTOFLAB2\\主轴工作区有附件时程序跳转到LAB2
N60MSG("TOOLERROR")\\主轴工作区无附件时程序报警
N70M00\\程序停止
N80GOTOBLAB1\\程序跳转到LAB1
N90LAB2:
MSG("TOOLEXCHANGE")\\信息显示
N100M05\\主轴停止
N110M09\\冷却液停止
N120CONTROL30\\调用报警处理程序
N130G04F0.1\\程序暂停
N140R966=1\\置程序运行标志
N150IF$A_IN[24]==0GOTOFLABEL25\\不执行指令T0M6时程序跳转到LABEL25
N160CONTROL9\\刀具返回刀库
N170STOPRE\\进刀停止
N180II11:
R966=0\\清除程序运行标志
N190IF(R966<>0)GOTOBII11\\程序跳转到II11
N200MSG("")\\清除信息显示
N210GOTOFLABEL11\\程序跳转到LABEL11
N220LABEL25:
R942=$A_IM(c)\\保存C轴位置到R942
N221IF(R940==0)AND(R941==90)GOTOFLABEL20\\如A,C轴位置在换刀位置程序跳转到LABEL20
N230IF(R940==0)AND(R941<>90)GOTOFLABEL21\\如A轴位置在换刀位置,C轴不在换刀位置程序跳转到LABEL21
N240IF(R940<>0)GOTOFLABEL22\\如A轴位置不在换刀位置程序跳转到LABEL22
N250LABEL21:
M174\\C轴旋转到换刀位置
N260GOTOFLABEL20\\程序跳转
N270LABEL22:
M173\\C轴旋转到0度
N280M11\\A轴松开
N290POS[A]=DC(0)\\A轴旋转到0度
N300M10\\A轴夹紧
N310M174\\C轴旋转到90度
N320LABEL20:
IF$A_IN[9]==0ORR915==0GOTOFLABEL12\\工作区无附件头程序跳转到LABEL12
N330IF($A_IN[13]==1)AND($A_IN[36]==1)GOTOFLABEL1\\横梁在低位且工作区附件头为保护盖板,程序跳转到LABEL1
N340IF($A_IN[13]==1)AND($A_IN[37]==1)GOTOFLABEL2\\横梁在低位且工作区附件头为加长主轴,程序跳转到LABEL2
N350IF($A_IN[13]==1)AND($A_IN[38]==1)GOTOFLABEL3\\横梁在低位且工作区附件头为RM40,程序跳转到LABEL3
N360IF($A_IN[14]==1)AND($A_IN[36]==1)GOTOFLABEL4\\横梁在高位且工作区附件头为保护盖板,程序跳转到LABEL4
N370IF($A_IN[14]==1)AND($A_IN[37]==1)GOTOFLABEL5\\横梁在高位且工作区附件头为加长主轴,程序跳转到LABEL5
N380IF($A_IN[14]==1)AND($A_IN[38]==1)GOTOFLABEL6\\横梁在高位且工作区附件头为RM40,程序跳转到LABEL6
N390SETAL("65009")\\横梁位置错误
N400LABEL1:
R920=R900R921=R901R922=R902\\变量计算
N410STOPRE\\进刀停止
N420GOTOFLABEL7\\程序跳转
N430LABEL2:
R920=R903R921=R904R922=R905\\变量计算
N440STOPRE\\进刀停止
N450GOTOFLABEL7\\程序跳转
N460LABEL3:
R920=R906R921=R907R922=R908\\变量计算
N470STOPRE\\进刀停止
N480GOTOFLABEL7\\程序跳转
N490LABEL4:
R920=R900R921=R901R922=R902\\变量计算
N500STOPRE\\进刀停止
N510GOTOFLABEL7\\程序跳转
N520LABEL5:
R920=R903R921=R904R922=R905\\变量计算
N530STOPRE\\进刀停止
N540GOTOFLABEL7\\程序跳转
N550LABEL6:
R920=R906R921=R907R922=R908\\变量计算
N560LABEL7:
STOPRE\\进刀停止
N570IF$A_IN[12]==1GOTOFLABEL9\\主轴有刀,程序跳转到LABEL9
N580G0G90SUPAD0Z0SPOS=R922M63\\主轴定位,刀库旋转到指令刀位,Z轴回零
N590M90\\取消Y轴行程限制
N600LABEL8:
M89\\刀库开门
N610IF$A_IN[15]==0GOTOBLABEL8\\确认刀库门开
N620G0G90SUPAD0Z0Y=R920
N630G0G90SUPAD0Z=R921+R917
N640GOTOFLABEL10
N650LABEL9:
STOPRE
N660CONTROL7\\调用刀具返回刀库程序
N670LABEL10:
STOPRE\\进刀停止
N680COTROL8\\调用刀具拾起程序
N681IF(R942==R941)GOTOFII10\\如C轴不需回转时程序跳转到II10
N682M21\\C轴松开
N683G0G90SUPAD0C=R942\\C轴旋转到换刀前位置
N684M20\\C轴夹紧
N690II10:
R966=0\\清除程序运行标志
N700IF(R966<>0)GOTOBII10\\确认标志已清除
N710MSG("")\\清除信息显示
N720GOTOFLABEL11\\程序跳转
N730LABEL12:
SETAL("65010")\\程序报警
N740M00\\程序停止
N750LABEL11:
M17\\子程序结束
2.R参数在编程中的应用
在Control10自动换刀宏程序中,涉及到许多变量计算,主要包括换刀前各轴位置记忆、横梁高低位记忆、附件头类型记忆、刀具数据记忆等,这些数据在更换刀具、更换附件、横梁移动完毕后经重新计算后才能保障连续加工作业的进行。
在宏程序中使用R参数编程可以简化变量计算,故宏程序中的R参数主要是在刀具交换、附件头交换及横梁位置控制时记忆和处理各轴的运行状态、标志位和位置值。
涉及使用的R参数定义如下:
R900/R903/R906工作区附件为保护盖板/RL40/RM40时,换刀时刻Y轴位置
R901/R904/R907工作区附件为保护盖板/RL40/RM40时,换刀时刻Z轴位置
R902/R905/R908工作区附件为保护盖板/RL40/RM40时,换刀时刻主轴位置
R910/R911/R912换附件时,Y轴/Z轴/主轴位置
R913横梁高位到低位距离
R916换刀时减速距离
R917换刀时刀具提升距离
R918/R919换附件时Z轴下降/上升减速距离
R940/R941A轴/C轴位置
3.接口信号的使用
840D系统的接口信号是非常繁杂的,正确合理使用接口信号进行编程是设备稳定工作的前提,下面只针对数控铣自动换刀编程中的接口信号进行简介。
3.1M功能定义
与自动换刀有关的宏程序有部分被定义为M功能,M功能在零件加工程序中可以直接编程使用。
连接M功能的接口信号为通道信号,因只使用了通道1,故M功能由DB21数据块DBB194开始的后续字节解码。
涉及数控铣自动换刀的M功能对应的接口信号及定义如下:
DEFINEM6ASCONTROL10(DB21.DBX194.6)
DEFINEM31ASCONTROL11(DB21.DBX197.7)
DEFINEM32ASCONTROL12(DB21.DBX198.0)
DEFINEM33ASCONTROL13(DB21.DBX198.1)
DEFINEM35ASCONTROL35(DB21.DBX198.3)
DEFINEM36ASCONTROL36(DB21.DBX198.4)
DEFINEM10ASCONTROL14(DB21.DBX195.2)
DEFINEM11ASCONTROL15(DB21.DBX195.3)
DEFINEM20ASCONTROL16(DB21.DBX196.4)
DEFINEM21ASCONTROL17(DB21.DBX196.5)
DEFINEM125ASCONTROL22(DB21.DBX194.6)?
DEFINEM126ASCONTROL23(DB21.DBX194.6)?
DEFINEM173ASCONTROL18(DB21.DBX194.6)?
DEFINEM174ASCONTROL19(DB21.DBX194.6)?
DEFINEM175ASCONTROL20(DB21.DBX194.6)?
DEFINEM176ASCONTROL21(DB21.DBX194.6)?
3.2宏变量定义
宏程序中的R参数主要是在刀具交换、附件头交换及横梁位置控制时记忆和处理各轴位置值,而机床动作的标志位有很大一部分是由宏变量来处理的,与自动换刀程序有关的宏变量定义如下:
$A_IN[10]==1(DB10.DBX123.1)主轴头松刀
$A_IN[1
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