1 项目简介
WNC-700S数控车床III单元是奥地利VOESTALPINE公司20世纪80年代生产的大型数控设备，设备用于炮弹弹体的加工。原控制系统选用西门子3TT数控系统，驱动采用6RB2030直流驱动，主轴采用SI-MOREG 6RA 26直流驱动，输入输出接口采用S5-130W。另外，该设备具有一个四轴的全自动上下料系统(后文简称送料系统)，所有待加工工件以及加工成品均可通过该装置自动装卸、运送。近几年，由于控制系统元器件的老化，设备的故障率极高，影响了正常的生产。
2 控制系统构成
2.1 方案配置
该设备是精加工数控车床，具有三个刀架，每个刀架分别由两个伺服电动机(x、z轴)拖动完成纵向和横向的移动。刀架选用意大利的盘式刀架，每个刀架可安装12把不同的刀具，并可实现就近找刀功能。三个刀架要求能够同时、分时或者单独对工件(炮弹弹体)进行加工，在加工中要求主轴转速可根据三个刀架的不同物理位置进行随机调整，实现转速的平稳过渡，保证工件的加工精度及表面粗糙度，通常情况下刀架1和刀架3在加工中同步等速运行。另外，送料系统需要在加工的过程中和主机以点对点(point to point)方式进行实时通信，送料系统根据主机部分的工作状态完成自动识别、判断，从而达到智能装卸工件的功能。
基于机床的三刀架加工、自动装卸工件的双重功能以及设备的特性和工件加工的工艺要求，因此在选择数控系统时要求所选数控系统具备多通道功能。西门子840D系统具有10方式组、10通道以及最多可配置31轴的功能，选择该数控系统完全可以满足本设备的控制要求，根据设备的加工特性有两种配置方案可供选择。具体的配置方案如下：
方案1：设备采用西门子840D控制系统，选用多通道系统软件，通过机床数据激活所需通道，确保系统具备四通道功能。系统控制的轴包括主轴、XI、xⅡ、XⅢ、ZI、ZⅡ、ZⅢ、P1、P2、X1、Z1共11轴，其中刀架1的XI、Z1分配到第一通道；刀架2的XⅡ、ZⅡ分配到第二个通道；刀架3的XⅢ、ZⅢ分配到第三个通道；送料系统的P1、P2、X1、Z1轴分配到第四通道，主轴定义为公共轴，为刀架1、2、3共同使用。
方案2：设备主机部分采用西门子840D数控系统，选用多通道系统软件，确保系统具备三个通道，系统控制的轴包括主轴、XI、XⅡ、XⅢ、ZI、ZⅡ、ZⅢ共七轴，其中刀架1的x I、z 1分配到第一个通道；刀架2的XⅡ、ZⅡ分配到第二个通道；刀架3的xⅢ、zⅢ分配到第三个通道，主轴定义为公共轴，被刀架1、2、3共同使用。另外，送料系统采用西门子802D数控系统实现P1、P2、X1、Z1四轴控制，通过下面几个主要机床数据的设置完成对840D数控系统的通道分配，公共轴(主轴)定义，扩展通道的激活等功能。
两套控制系统间可采用点对点通讯(point to point)，即通过两套系统的输入输出接口进行信息传送，以保证控制系统之间协调工作。
以上两种控制方案各有其优缺点，首先从电气的角度来讲，采取方案1应该说是最合理的，因为所有的轴及不同的通道间统一由同一个控制系统来处理，因此在动作的协调上以及响应速度上都容易处理，而且各通道间的数据交换由系统自行处理，调试周期短，PLC程序处理简单。但是从该设备的现状出发，使用该方案有其不足之处：该设备的送料系统的机械机构承重部分采用的是轻巧的铝制部件，采用这种材质部件使得电动机的承载力减轻，运动起来更灵活，但其缺点是容易损坏，稍有碰撞便会损坏机械部件，造成设备不能正常工作，影响正常的生产。而方案2却能够很好的解决这个问题。由于方案2采用双系统控制模式，因此在系统问的信息处理上就存在一定的困难，系统问及时的信息交换是该方案的重点及难点，但其最大的优点是系统间虽然在使用中有必然的联系但是同时各系统又是独立的控制单元，各自可以独立工作，因此从维修的角度来讲就非常方便。假设机械手部分出现故障，便可切断送料系统，在不对840D控制系统进行任何处理的情况下，主机部分可通过人工送料的方式(该方式也是一种行之有效的加工方式)继续进行生产，而且在主机工作的同时也可对机械手进行维修，不会影响正常生产。另外，在主机进行加工的过程中，也可将机械手切换到手动方式工作，非常灵活。又因为机械手采用独立控制，所以可以实时通过802D系统监视器监控机械手的状态。基于以上的分析，所以最终确立方案2来完成对该设备的控制。
2.2 控制系统主要部件
(1)主机部分：(控制系统为西门子840D数控系统)
①NCU软件(6FC5357—0BB22—0AE0)：NCU572.3具备10通道，最多可配置31轴。
②PCu50(6Fc5210一0DF22—0AA0)：1.2G／256M内装HMI高级接口软件(中英文显示)。
③显示器(6FC5203—0AF00—0AAl)：10．4英寸TFT彩显OP010一台。
④数模转换部件(6SNlll5—0BAll—0AA0)：采用西门子ANA转换模块实现数9／模拟信号的转换，用来控制主轴一块。
⑤机床控制面板(6FC5203—OAF22—0AA0)：西门子专用19英寸控制面板(MCP)，自带15个用户自定义按键一块。
⑥手持单元：多功能西门子MINI型手持单元一套。
⑦驱动部件：进给轴：驱动器采用西门子SIMODRIVE611D交流驱动装置，电动机采用西门子1FK7交流伺服电动机，XI、XⅡ、XⅢ轴电动机(1FK7101—5AF71—1AH0)27 Nm，ZI、ZⅡ、ZⅢ轴电动机(1FK7103—5AF71—1AGO)36 Nm；主轴：驱动采用西门子直流驱动装置6RA70(210A)，电动机采用西门子直流电动机(60 kW)。
⑧位控部件：进给轴：ZI、zZⅡ、ZⅢ轴选用海德汉ROD型1Vpp编码器(6FX2001—3AC50)实现全闭环控制，分辨率为2 500；主轴：选用海德汉ROD型1Vpp编码器(6FX2001—3AB02)实现恒现速，每转进给的功能，分辨率为1 024。
⑨输入输出接口：采用S7—300系列PLC通过IM361与NCU连接。
(2)送料系统部分(控制系统采用西门子802D数控系统)
①数控系统(6FC5600—0AG02—0AA0)：西门子802D基本配置2一套，包括PCU一件、数字键盘一件、611UE控制板2套、72／48输入输出模块一块。
②驱动部分：进给轴驱动器采用西门子SIMO—DRIVE 61lUE交流驱动装置，电动机采用西门子1FK7交流伺服电动机，P1、P2轴电动机(1FK7060—5AF71—1AB0)6 Nm，X轴电动机(1FK7060—5AF71—1AA0)6 Nm，Z轴电动机(1FK7101—5AF71—1AA0)27 Nm。
3 控制系统完成的功能
本设备的加工工艺有其特殊性，这里从NC机PLC两个方面来阐述如何完成对工件的加工，以及如何实现840D和802D系统间的信息交换过程，这两点也是本设备的重点及难点。
3.1 工件的加工工艺
本设备在对工件进行加工时，要求三个刀架同时参与加工。
其中：刀架1主要完成工件的粗加工；刀架2主要完成精加工；刀架3配合刀架1完成粗加工以及辅助装卸工件。在加工过程中有三个工艺要点：其一，在加工弹体大圆弧时要求刀架1和刀架3同步加工；其二，为保证工件表面粗糙度要求须进行恒线速加工；其三，防止刀架1和刀架2在加工过程中发生碰撞，要求两刀架问的位置差要大于一个恒定的数值。要解决这三个工艺要求，需要从NC和PLC两方面进行处理。
NC方面可通过通道间的同步等待指令WAITM(．．)实现刀架1和刀架3同步JJuT_，通过机床数据设置x轴为FACE轴，实现恒线速加工。通过系统变量$A_IN[．]读取PLC程序的接口地址信息，来控制刀架2的跟随位置，以实现防碰撞功能，同时在PLC程序中通过FB2功能块读取z1轴的坐标位置，通过PLC程序处理后将最终信息通过NC扩展数字接口信号传递给NC系统变量$A—IN[．]，NC程序通过访问$AjN[．]从而获取zl轴的动态位置信息。下面通过NC以及PLC程序片断说明该功能的实现过程。
上面P111为通道1(即刀架1)的NC程序，P222为通道2(即刀架2)的NC程序，P333为通道3(即刀架3)的NC程序，其中“WAITM(1，1，3)”为1和3刀架同步加工指令，即只有两个通道都读到该指令时两刀架同时开始执行工件同步加工；WAITM(5，1，2，3)为三个刀架的同步指令，功能同WAITM(1，1，3)；“G96S90 LIMS=700”为恒线速指令，该指令控制最高线速度为700 r／min；“IF$A—IN[9]==0 GOTOBMARK”语句完成实时监控功能，通过PLC程序以20ms的速度反复读取z1轴的坐标位置，从而实现刀架2的同步跟随功能，避免刀架1和刀架2在加工过程中出现碰撞现象。zl轴的位置信息是通过以下PLC控制程序来实现的。
3.2 系统问的Point to Point(点对点)通讯
使用本设备时，需要主机部分和送料系统有序地进行工作。换句话说，就是要求装卸工件时，主机第三通道的刀架3配合送料系统完成工件的装卸；主机在进行工件加工的过程中，要求送料系统能够自动完成下一个工件的预抓准备工作，在主机对工件完成加工后以最短的时间完成下一个周期工件装卸任务，要求装卸料过程占用加工时间越少越好(一般情况下不超过1 min为宜)。要使这个过程有序地进行就需要两控制系统间通过输入输出接口点对点进行及时的信息交换。也就是说通过840D系统的数字输出接口将主机的状态信息传递给802D控制系统的数字输入接口，送料系统通过802D控制系统的数字输入接口读取主机的状态信息；同样送料系统通过802D控制系统的数字输出接口将其工作状态传递给840D系统的输入接口，主机再通过输入接口读取送料系统的工作状态。这种通讯方式可以简单的称之为点对点(PTP)通讯(Point To Point)方式，对于响应速度要求不是很高的场合它不失为一种简洁可靠的通讯方式。下面通过介绍本设备的整个加工过程来进一步了解PTP通讯方式的特点。
主机与送料系统间主要有两个关键位置(刀架3的辅助接料、送料位置)和三个工作状态(是否启动送料系统，天窗是否打开，主轴上是否有待卸成品)需要进行信息交换。在主机NC程序中通过自定义的宏指令来完成系统间的信息交换。下面以部分NC程序来说明。在此之前首先介绍一下在NC程序所要用到的部分高级NC指令和几个自定义宏指令。
(1)高级NC指令
①INIT(n，”_N_文件名_MPF”，”n”)：该指令用于定义在第n个通道中需要执行的文件。
②START(n)：该指令用于启动通道n中的程序。(查)WAITM(n，1，2，3)：该指令用于定义在通道1、2和3中的等待标志n。
③WAITE(n)：等待通道n中的程序结束指令。
(2)自定义宏指令
①START—ROBOT(启动送料系统NC程序)：在840D系统NC程序中可以通过该指令自动启动802D系统的特定NC程序。在使用该指令时，802D系统应选择自动工作方式。另外本指令为非模态指令，也就是说该指令只在当前行有效。
②TAKEOUT_READY(抓取成品位置准备好)：在成品卡爪抓住成品，下刀架退回至安全位置后，使用该指令可以再次激活机械手完成卸掉成品工件的任务。该指令为非模态指令，只在当前行有效。
③INSTALL—READY(装毛坯位置准备好)：在毛坯爪将毛坯送至卡盘，下刀架移到装载位置后，使用该指令可以再次激活机械手完成安装工件的后续工作。该指令为非模态指令，只在当前行有效。
首先在通道1中选择100.MPF→在通道2中选择200.MPF→将送料系统设定为自动方式→启动主机控制系统(840D系统)→程序1通过第N10行指令调用程序2→运行至N30行时启动通道2中的程序→程序1执行至N50行时暂停运行等待程序2中的同步指令WAITM→程序2在N10段启动送料系统的NC程序运行→在程序2中通过N30及NS0段的指令TAKEOUT'→READY和INSTALL_READY卸下及安装工件→执行至N70段时由WAITM(1，1，2)指令再次启动程序1_程序1执行至N70段时再次暂停执行等待程序2中的M30程序结束指令_等待程序2执行结束后_程序1再次从等待位置启动直至加工结束。
从程序中可以看出，通过自定义宏指令START_ROBOT、TAKEOUT_READY、INSTALL—READY就可以方便地实现系统间的信息交换。另外，使用840D控制系统的“程序控制”功能，通过激活或者取消“SKIP”功能可以方便地实现手动装卸工件，中断送料系统的执行。
4 结语
点对点的通讯方式为控制系统的拓展使用提供了一种新思路。改造后的设备经过一年多的使用，其功能及效率方面远远优于原控制系统，故障率非常低，且维修方便快捷，保证了生产的正常有序进行。
(审核编辑: 智汇张瑜)
