數控機加技術在 ＲEIKA 卡盤定位中的應用
2018-8-29 來源：內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司無縫鋼管廠 作者：趙海燕，郭利中，郭勇志
摘 要: ＲEIKA 卡盤的控制與精確定位是一項綜合性技術，需要數控機加、測量、計算機、自動控制等多學科領域的參與。在 SINUMEＲIK 840D 數控系統中，通過 PLC 邏輯控制與 NC 數控機加編程的有力結合，既實現了 ＲEIKA卡盤的動作控制，保證加工節奏的快速性; 又兼顧了其卡盤的精確定位，提高了設備安全性。
關鍵詞: SINUMEＲIK 840D; 多通道配置; NC 通道; 數據交換
ＲEIKA 的作用是將成品鋼管切成指定規格長度的管箍，為下一道管箍內螺紋車絲的工序做準備。本文主要分析利用 SINUMEＲIK 840D 的 CNC 的多通道快速處理能力，通過 NC 及 PLC 的程序編程與數據采集交換，實現 ＲEIKA 切管機卡盤的控制與精確定位。1 ＲEIKA 的數控系統構架ＲEIKA 是一臺高精密數控切管機，它的數控系統源自西門子的 SINUMEＲIK 840D。
1． 1 NCU 數控單元( Numerical control unit)
NCU 數控單元是 SINUMEＲIK 840D 的中央處理器。內部通信及驅動接口軟件負責協調 PLC －CPU、NC － CPU 和 MMC － CPU 三者之間的步調，處理所有 CNC、PLC、MMC 的通訊任務。NCU 數控單元通過直流母線、控制總線、數據總線與各驅動模塊相互連接，組成數控的伺服驅動系統。SINUMEＲIK840D 系統的 NCU 數據在表 1 參數與功能描述中給予了說明。
表 1 參數與功能描述
1． 2 人機界面
人機交互裝置建立起 ＲEIKA 切管機的數控機加系統與操作員之間的交互界面，它由 MMC 和 OP組成。MMC( Man Machine Communication) 有自己獨立的 CPU，OP 單元是顯示器。PCU( PC UNIT) 是專門為配合西門子 SINUMEＲIK 840D 的操作面板而開發的 MMC 模塊，PCU50 對應于帶有硬盤的 MMC103，軟件是基于 WINDOWS NT 的 HMI。
1． 3 可編程序控制器 － PLC
SINUMEＲIK 840D 系統的 PLC 集成在 NCU 模塊中。其通過 NCU 模板的 X111 端口與外圍 I/O 模塊、功能板卡進行數據交換。直線型封閉式微脈沖磁柵位置傳感器作為它的一個從站連接在網絡中，將當前 ＲEIKA 前卡的位置實時傳輸給 PLC，PLC 與NC 通訊并交換變量，運算結果應用到 PLC 的邏輯程序與 NC 的數控機加程序中，實現 ＲEIKA 前卡的控制與精確定位。
1． 4 驅動裝置
ＲEIKA 切管機的 SINUMEＲIK 840D 系統采用全數字伺服驅動 SIMODＲIVE 611D，配以 1FT 進給電機( 編碼器 EＲN1387) 和 1PH1 主軸電機( 編碼器EＲN1381) 。611D 單軸模塊具有兩個反饋測量系統，能夠實現卡盤位置全閉環控制。其中 X411 端口是電機編碼器接口，輸入電機的編碼器信號;X421 端口是直接測量系統輸入口，輸入直接位置測量信號，一般為正余弦電壓信號。
2 、數控機加技術在 ＲEIKA 的應用
ＲEIKA 切管機卡盤的控制與精確定位包含了兩方面的內容: 一個是 ＲEIKA 卡盤的控制從工藝上考慮要保證加工節奏的快速性; 另一個是 ＲEIKA 卡盤的精確定位，提高設備安全性。
2． 1 數控系統對 ＲEIKA 卡盤的控制實現
ＲEIKA 卡盤的控制，必須把 NC 及 PLC 的編程有機地結合起來。因為由 NC 控制器計算的“X”軸/“U”軸位置，分別來自通道 1 和通道 2，所以必須在 NC、PLC 之間進行數據交換，以便使整個系統都在程序控制之中。
2． 1． 1 ＲEIKA 的通道與關鍵軸
通道是 SINUMEＲIK 840D 系統的一個基本功能，每一個通道都可以作為一個獨立的 NC。雙通道意味著系統可以同時執行兩個程序，它們互不影響、被協調同步運行。作為數控切管機的 ＲEIKA 共有 4 個機床軸，它們是“C”軸、“U”軸、“V”軸和“X”軸。其中“X”軸控制卡盤刀具的進/退刀; “U”軸控制 ＲEIKA 前卡小車的左右行走。由于這 2 個軸涉及到 ＲEIKA 卡盤的控制與精確定位，所以是關鍵軸。
2． 1． 2 數控機床軸配置
SINUMEＲIK 840D 缺省為一個通道，需要參數設置成兩個有效通道:MD10010 $ MN － ASSIGN － CHAN － TO －MODE － GＲOUP［0］= 1 ∥通道 1 分配給方式組 1
MD10010 $ MN － ASSIGN － CHAN － TO －MODE － GＲOUP［1］= 1 ∥通道 2 分配給方式組 1
設置機床軸名:N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［0］= C ;
N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［1］= U ;
N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［2］= V ;
N10000 $ MN _ AXCONF _ MACHAX _ NAME _TAB［3］= X ;
通道 1 參數設置:N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［1］= 3 ∥第 3 個軸分配給通道 1
N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［2］= 4 ∥第 4 個軸分配給通道 1
N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［3］= 0 ∥第 1 個軸分配給通道 1N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB
［0］= C ∥通道 1 第 1 個軸叫“C”軸
N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［1］= V ∥通道 1 第 2 個軸叫“V”軸
N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［2］= X ∥通道 1 第 3 個軸叫“X”軸
通道 2 參數設置:
N20070 $ MC _ AXCONF _ MACHAX _ USED［0］= 2 ∥第 2 個軸分配給通道 2
N20080 $ MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［0］= U ∥通道 2
第 1 個軸叫“U”軸
2． 1． 3 ＲEIKA 卡盤定位的邏輯控制
ＲEIKA 卡盤定位的邏輯控制者是 PLC、動作執行者是比例閥、位置回饋靠直線型封閉式微脈沖磁柵位置傳感器。
圖 1 為定位架構及數據流。
按照接箍料的不同規格、結合 NC 傳送過來的“X”軸/“U”軸的實際位置，ＲEIKA 卡盤得到了相應的位置給定值。這個給定位置值和實際位置之間的差產生了修正量 xd。修正量 xd 經過規格化后由模擬量輸出通道送給比例閥作為給定，控制 ＲEIKA 前卡機構的動作。隨著預定位置的逼近，xd 逐漸減少，直至位置到達后 ＲEIKA 前卡停止動作。
圖 1 定位架構及數據流
2． 2 ＲEIKA 卡盤的精確定位
PEIKA 卡盤定位采取全閉環控制，直線型封閉式微脈沖磁棚位置傳感器安裝于動作機構的末端。由于這種方式消除了絲杠的螺距誤差和反向間隙誤差，使 得 ＲEIKA 卡 盤 重 復 定 位 精 度 高 于± 0. 01 mm。ＲEIKA 前卡爪的動作機構在“U”軸上，為了防止刀具、卡具損壞，它的動作控制與精確定位要結合“X”軸與“U”軸的條件: ＲEIKA 前卡的實際位置值等于設定位置值時，“U”軸可以動作。在“U”軸動作過程中，ＲEIKA 前卡的實際位置被連續測量并反饋，如果動態誤差在允許范圍內，處于不會造成對刀具/卡具損傷的安全位置時，利用雙通道功能，一個通道控制“U”軸按照 NC 的加工程序正常運行; 另一個通道控制“X”軸按照 NC 加工程序進刀動作。ＲEIKA 卡盤的精確定位依賴于 NC 通道之間、NC 和 PLC 之間的的數據交換。
2． 2． 1 PCL 讀取 NC 的數據
PLC 獲取 ＲEIKA“X”軸和“U”軸的位置數據:利用 NC_var Selector 選擇 ＲEIKA 切管機床通道 1 和通道 2 所編程的位置變量，將 NC 傳來的“X”軸位置變量放入 DB207． DBD8 中; 將 NC 傳來的“U”軸位置變量放入 DB207． DBD16 中。在編程ＲEIKA 切管機前卡的動作時充分利用 “X”軸位置DB207． DBD8 的數據和“U”軸位置 DB207． DBD16的數據，就可保證 ＲEIKA 前卡的每一次定位都在允許的安全范圍內。
2． 2． 2 NC 讀取 PLC 的命令
NC 數控程序判斷 ＲEIKA 卡盤的位置數據:為了加強邏輯保護嵌套的合理性，在 ＲEIKA 機床數控機加程序中加入主要保護語句，這些語句的條件源自于 PLC。
CALL FC21
Enable : = M0． 1 ∥1 = FC21? active
Funct : = B #16 #4 ∥ B #16 #4 = write ( PLC 寫NC)S7Var :
= P#DB198． DBX 0． 0 BYTE 2 ∥PLC 中ＲEIKA 前卡的位置判斷的地址
IVAＲ1 : = 0 ∥NC 中的數據地址
IVAＲ2 : = － 1
Error : = M240． 0
將 PLC 地址 P#DB198． DBX 0． 0 BYTE 2 中的數據寫到 $ A_DBW［0］里，NC 程序就可以利用 $ A_DBW［0］讀取和編程 ＲEIKA 機床數控加工程序通道 1 中的“X”軸程序。
同理，將 PLC 地址 P#DB199．DBX 60． 0 DWOＲD 1 中的數據寫到 $ A_DBW［104］里，NC 程序就可以利用 $ A_DBW［104］讀取和編程ＲEIKA 機床數控加工程序通道 2 中的“U”軸程序。
當 N90 IF $ A_DBW［0］= = 1 gotof XSpindel-stop ∥如果通道 1 中獲取 ＲEIKA 前卡的位置偏差大于 1 mm，則變量 $ A_DBW= = 1 加工程序將跳轉到停止“X”軸運動軌跡并迅速從工作區域的機加程序“XSpindelstop”中退出。
當 N90 IF $ A_DBW［104］= = 1 gotof USpin-delstop ∥如果通道 2 中獲取 ＲEIKA 前卡的位置偏差大于 1 mm，則變量 $ A_DBW= = 1 加工程序將跳轉到停止“U”軸運動軌跡并迅速從工作區域的機加程序“USpindelstop”中退出。
3、 結束語
在 SINUMEＲIK 840D 數控系統架構下，自動化的 PLC 邏輯控制和數控加工的 NC 編程相互配合，實現了 ＲEIKA 切管機卡盤的控制與精確定位，達到了保護措施的嵌套合理性與嚴密性.
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