1 引言
在制造業(yè)現(xiàn)代化的今天，生產(chǎn)的高效率和產(chǎn)品的高質(zhì)量要求使得一些高精度數(shù)控機(jī)床和高性能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生，同時也使許多普通機(jī)床和傳統(tǒng)工藝難以解決的問題變得相對簡單了一些，使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也有很大程度的保證。我公司的玻璃數(shù)控鉆孔機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)采用了西門子公司的SINUMERIK 840D系統(tǒng)，在使用過程中高精度的產(chǎn)品質(zhì)量和極低的故障率（主要取決于清晰的可視化報警信息，使得故障能夠迅速排除）贏得了客戶對此系統(tǒng)的信任。下面對SINUMERIK 840D系統(tǒng)和驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹如下：
2 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成
此設(shè)備用于玻璃的鉆孔加工，如圖1所示，整個機(jī)加上有兩根平行的橫梁，兩對鉆軸分別安裝在由4個位置電機(jī)帶動可左右移動的固定板上，每塊固定板分別由固定在橫梁上下的兩個直線導(dǎo)軌滑塊與固定板連接在一起，鉆軸的左右移動由固定在固定板上的位置電機(jī)M1,M2,M3,M4通過齒輪齒條帶動鉆軸沿Y方向左右移動。每個鉆軸的內(nèi)部由兩個電機(jī)組成,靠近鉆頭的電機(jī)（M7,M9,M11,M13）帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆軸的另外一個電機(jī)（M6,M8,M10,M12）通過電機(jī)內(nèi)部的絲杠螺母副將電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為軸向升降運動，帶動鉆頭作上下進(jìn)給運動，即Z向運動。玻璃定位時首先由X方向定位裝置（此裝置在圖中未畫出，其方向為垂直于紙面的方向，裝置的運動由X方向位置電機(jī)M5驅(qū)動）將玻璃推至準(zhǔn)確位置，各鉆軸沿Y方向移動至正確位置，下鉆頭上升，開始鉆玻璃的下平面，鉆至設(shè)定的深度，下鉆頭退回，然后上鉆頭下降鉆玻璃的上平面，鉆至設(shè)定的深度后退回。此設(shè)備可同時對兩個孔進(jìn)行加工。
圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成圖
3 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)
3.1 硬件部分
SINUMERIK 840D采用特殊的三CPU結(jié)構(gòu)：人機(jī)通信CPU、數(shù)字控制CPU（NC-CPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLC-CPU）。如圖2所示MMC-CPU在OP012人機(jī)界面內(nèi)，NC-CPU和PLC-CPU集成在NCU572內(nèi)。
圖2 840D數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成
3.1.1 NCU數(shù)字控制部件
以NCU572為核心，電源模塊采用SIMODRIVER 611D，電源模塊主要為NCU和給611D數(shù)字驅(qū)動提供控制和動力電源，產(chǎn)生母線電壓，同時監(jiān)測電源和模塊的狀態(tài)。后面有三個進(jìn)給模塊通過驅(qū)動總線接口與NCU572掛接，數(shù)控和驅(qū)動的接口信號為數(shù)字量，分別驅(qū)動兩對鉆頭的Y方向位置電機(jī)（M1,M2,M3,M4）和X方向位置電機(jī)M5。同時NCU572又通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與OP012人機(jī)界面、S7-300PLC及控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器連接在一起。
3.1.2 MMC人機(jī)通訊
人機(jī)通訊是數(shù)控系統(tǒng)和人進(jìn)行信息交流的通道。包括: OP（Operation Panel）和MMC。
（1） OP012 操作面板
OP（Operation Panel）單元由一個12.1″TFT顯示屏和一個NC鍵盤組成。人機(jī)界面OP012采用Windows 95作為操作平臺，使操作簡單、靈活，易掌握。生產(chǎn)過程中的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變更和各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)控，在OP012上清晰可見，其軟件內(nèi)容豐富功能強(qiáng)大。
?。?） MMC計算機(jī)
MMC實際上是一臺計算機(jī)。它有自己獨立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟驅(qū)。OP單元正是這臺計算機(jī)上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺計算機(jī)中。
3.1.3 PLC模塊
SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊。其電源由西門子SITOP電源（40A）提供，接口模塊IM361是用于級之間的互連。它通過PROFIBUS現(xiàn)場總線與NCU572連接。在IM361右側(cè)為信號模塊，信號模塊是用于PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。即輸入模塊SM321和輸出模塊SM322。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的。設(shè)備上的各種光電開關(guān)、行程開關(guān)的輸入和電磁閥、接觸器的輸出信號分別與輸入和輸出模塊相連，控制各種外部執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)動作。
3.1.4 各部分相互連接
NCU數(shù)控單元是CNC控制部件的核心，它與MMC、伺服電源模塊、進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置和伺服電機(jī)連接。本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，伺服電機(jī)采用1FK型內(nèi)置編碼器電機(jī)，通過伺服電機(jī)編碼器作為位置檢測元件，將位置信號反饋至數(shù)字驅(qū)動模塊（611D）的位置接口X411，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了對玻璃鉆孔孔位的精確定位控制。在鉆孔時為確保上下鉆頭的同心度（即上下鉆頭中心重合），在四個位置電機(jī)移動的Y方向上設(shè)置了四個行程開關(guān)，作為四個鉆軸的參考點位置。在打開機(jī)器電源后，需要對各鉆軸進(jìn)行參考點復(fù)位動作，即給各鉆軸的編碼器賦值（剛打開電源時各編碼器的值均為零。在進(jìn)行參考點復(fù)位時，鉆軸運行到行程開關(guān)的位置時，編碼器的值變成系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的參考點的值）。當(dāng)上下鉆頭出現(xiàn)位置偏差時，在系統(tǒng)的軟件內(nèi)還設(shè)置了誤差補(bǔ)償量，通過調(diào)整補(bǔ)償量可以很方便的將偏差糾正過來。
3.1.5 其他硬件部分
如前所述，每一個鉆軸內(nèi)部由兩個電機(jī)組成，即鉆頭的旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給。4臺軸向進(jìn)給的電機(jī)由4臺SIEMENS MASTERDRIVE MC變頻器分別控制（每個鉆軸一個），變頻器的控制信號來自NCU572，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線傳遞。4個鉆軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度由一臺SIEMENS MM440變頻器控制，各電機(jī)旋轉(zhuǎn)的啟動停止分別由各自的接觸器（在變頻器和電機(jī)之間）單獨控制。變頻器的控制信號也是來自NCU572，通過PROFIBUS現(xiàn)場總線傳遞。鉆頭的進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度均可根據(jù)玻璃厚度和工藝條件在MMC內(nèi)選擇。在進(jìn)給電機(jī)尾部有內(nèi)置編碼器來測量鉆頭進(jìn)給深度。內(nèi)部有原點光電開關(guān)作為鉆頭的原點（參考點）位置。
3.1.6 數(shù)控系統(tǒng)與PC的連接
因PLC-CPU和NC-CPU集成在NCU572內(nèi)，在進(jìn)行PLC和NC程序調(diào)試時，可將PC與NCU572連接，即可對程序進(jìn)行修改和調(diào)試。
3.2 軟件部分
SINUMERIK 840D軟件系統(tǒng)包括4大類軟件：MMC軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動接口軟件。
3.2.1 MMC軟件系統(tǒng)
在MMC103系統(tǒng)上帶有10GB的硬盤，內(nèi)裝有基本輸入、輸出系統(tǒng)（BIOS），DR-DOS內(nèi)核操作系統(tǒng)、Windows95操作系統(tǒng)，以及串口、并口、鼠標(biāo)和鍵盤接口等驅(qū)動程序，支撐 SINUMERIK與外界MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之間的相互通信及任務(wù)協(xié)調(diào)。
3.2.2 NC軟件系統(tǒng)
NC軟件系統(tǒng)包括下列內(nèi)容：
（1） NCK數(shù)控核初始引導(dǎo)軟件
該軟件固化在EPROM中。
（2） NCK數(shù)控核數(shù)字控制軟件系統(tǒng)
它包括機(jī)器數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)子系統(tǒng)，用戶必須理解每個循環(huán)程的參數(shù)含義才能進(jìn)行調(diào)用。
?。?） SINUMERIK 611D驅(qū)動數(shù)據(jù)
它是指SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)所配套使用的SIMODRIVE 611D數(shù)字式驅(qū)動系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。
3.2.3 PLC軟件系統(tǒng)
PLC軟件系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)支持軟件和PLC程序。
（1） PLC系統(tǒng)支持軟件
它支持SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝的CPU-315-2DP型可編程邏輯控制器的正常工作，該程序固化在NCU內(nèi)。
（2） PLC程序
它包含基本PLC程序和用戶PLC程序兩部分。
3.2.4 通信及驅(qū)動接口軟件
它主要用于協(xié)調(diào)PLC-CPU、NC-CPU和MMC-CPU三者之間的通信。
4 結(jié)束語
SINUMERIK 840D，它在復(fù)雜的系統(tǒng)平臺上，通過系統(tǒng)設(shè)定而適于各種控制技術(shù)。840D與SINU-MERIK_611數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程控制器一起，構(gòu)成全數(shù)字控制系統(tǒng)，它不僅僅應(yīng)用在鉆孔機(jī)上，而是應(yīng)用于機(jī)械加工設(shè)備及各行各業(yè)的設(shè)備控制系統(tǒng)中，西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今世界較為先進(jìn)控制系統(tǒng)，其體積小，，功能強(qiáng)，程序設(shè)計簡單，維護(hù)方便，價格低廉等特點，倍受用戶的青睞。其全數(shù)字化的系統(tǒng)、革新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更高的控制品質(zhì)、更高的系統(tǒng)分辨率以及更短的采樣時間，確保了一流的工件質(zhì)量。同時也使它在各行各業(yè)的數(shù)控設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。
（轉(zhuǎn)載）
