摘要：本文介紹了應(yīng)用SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)五軸聯(lián)動葉片加工中心電氣控制的方案，重點闡述了采取多策略組合的方式，將頭尾架的控制策略由單一的龍門軸控制改為裝夾時隨動控制、粗加工時主從耦合、精加工時機床坐標(biāo)系耦合三種方式相結(jié)合的形式，克服單一策略存在的問題，滿足葉片在裝夾、粗加工以及精加工過程的不同需求，以改善機床的性能，使其操作更便捷、更智能，同時提高了葉片的加工效率及切削質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：SINUMERIK 840D sl      隨動控制     主從耦合     機床坐標(biāo)系耦合     人機界面  

一、項目簡介

XKH 系列五軸聯(lián)動葉片加工中心是北京機電院機床有限公司應(yīng)用自主技術(shù)，結(jié)合葉片零件加工特點，自主設(shè)計開發(fā)的專業(yè)葉片加工機床，已成功在國內(nèi)實現(xiàn)批量應(yīng)用，用戶包括東方汽輪機廠、無錫葉片廠、黎明發(fā)動機公司等主機廠，以及為主機廠進行配套加工的專業(yè)葉片加工廠。

本文介紹的五軸葉片加工中心，是本公司在參加無錫透平葉片廠牽頭承擔(dān)的國家科技重大專項課題“國產(chǎn)高檔數(shù)控機床在葉片加工中的示范應(yīng)用”中，根據(jù)無錫葉片廠對葉片加工機床的要求，在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行設(shè)計開發(fā)的，機床型號為XKH800Z，機床外觀如圖1所示。

XKH800Z五軸聯(lián)動葉片加工中心采用立柱移動結(jié)構(gòu)，五軸聯(lián)動，所有坐標(biāo)全閉環(huán)控制，機床工作臺沿X軸線左右運動，立柱沿Y軸前后移動，主軸沿Z軸上下移動并圍繞回轉(zhuǎn)中心進行擺動（B軸），Z軸采用雙絲杠進行同步驅(qū)動（Z1，Z2)，B軸由力矩電機直接驅(qū)動；頭架（A1軸）和尾架（A2軸）安裝在工作臺上，均采用力矩電機直接驅(qū)動、同步回轉(zhuǎn)，同時，尾架在工作臺上通過U軸可以根據(jù)零件尺寸的不同進行調(diào)整，切削時頭尾架則通過液壓進行鎖緊。

圖1：XKH800Z外觀圖

二、數(shù)控系統(tǒng)配置

XKH800Z五軸聯(lián)動葉片加工中心有5個直線軸（X，Y，Z1，Z2，U），3個旋轉(zhuǎn)軸（A1，A2，B）和1個主軸（SP1），共9個軸需要控制。機床選用 SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)，由于控制軸數(shù)較多，設(shè)計通過連接NX模塊增強系統(tǒng)的驅(qū)動控制性能，因此，控制分為兩部分，一是通過NCU720.3實現(xiàn)對Y軸、U軸、X軸、B軸、SP軸的控制，二是通過NX15.3模塊實現(xiàn)對Z1軸、Z2軸、A1軸、A2軸的控制，控制框架圖如圖2所示。

1、控制單元NCU720.3

控制單元NCU720.3控制5個軸，通過DRIVE-CLiQ接口進行模塊間、模塊與電機編碼器間的通訊。因為Y軸、U軸、X軸和B軸選用的是1FT7系列標(biāo)準(zhǔn)電機，電機自身帶DRIVE-CLiQ接口，可與電機模塊直接連接；而主軸電機選用第三方電機，編碼器信號需要加配SMC20模塊進行信號轉(zhuǎn)換后與電機模塊進行連接。

2、控制單元NX15

控制單元NX15控制4個軸， 其中A1、A2軸選用1FW6系列力矩電機，使用海德漢RCN226編碼器進行位置檢測，加配外部編碼器模塊SME125將編碼器信號和電機溫度傳感器信號轉(zhuǎn)換為DRIVE-CLiQ信號，接入電機模塊。

圖2：連接拓撲結(jié)構(gòu)圖

三、頭尾架運動控制的實現(xiàn)   

1、同步控制

葉片為薄壁結(jié)構(gòu)，本身剛性較弱，抗彎剛度和抗扭剛度很差，加工時葉片頭部由頭架夾持，尾部由尾架夾持。如果零件的擺動只由頭架進行驅(qū)動，在加工到葉片尾部時，由于零件剛度較弱，加工誤差較大。為保證加工精度，設(shè)計采用力矩電機驅(qū)動頭架（A1軸）和尾架（A2軸）進行同步驅(qū)動，起到改善葉片在切削狀態(tài)下的剛度的作用，同時采用高精度角度編碼器進行閉環(huán)控制，以提高運動精度。

產(chǎn)品最初設(shè)計時，頭架（A1軸）和尾架（A2軸）選用GANTRY軸的控制方式，要求兩個軸時刻保證位置一致，理論上講，這種位置同步控制是最精確的一種同步方式，但是在實際加工時發(fā)現(xiàn)存在兩個問題，第一是在工件裝夾時，由于頭尾架電機是GANTRY軸的控制方式，尾架電機在尾架虎鉗夾緊的瞬間，不能隨動旋轉(zhuǎn)，會造成葉片扭曲，影響后續(xù)的加工精度，并且尾架電機扭矩會加大，久而久之會影響電機的使用壽命；第二個問題是在葉片加工過程中，容易產(chǎn)生回彈，此外，加工中葉片內(nèi)原有殘余應(yīng)力會逐步釋放，也會引起葉片加工變形，由于尾架電機不能隨動旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頭尾架電機扭矩不一致，影響葉片的精加工精度。

針對上述問題，結(jié)合SIEMENS 840D SL系統(tǒng)的其它多軸耦合功能，經(jīng)過反復(fù)嘗試和試驗，決定采取多策略組合的方式，將頭尾架的控制策略由單一的GANTRY軸同步控制改為裝夾時的隨動控制、粗加工時的主從耦合、精加工時的機床坐標(biāo)系耦合三種方式相結(jié)合的形式，克服單一策略存在的問題，滿足葉片在裝夾、粗加工以及精加工過程的不同需求，以提升機床的加工效率和加工精度。

葉片加工示意圖如圖3所示。

圖3：葉片加工示意圖

2、隨動控制（follow-up mode）

1）隨動控制簡介

一般控制狀態(tài)下，伺服電機加上使能后，電機靠驅(qū)動器驅(qū)動，產(chǎn)生扭力，是無法用外力轉(zhuǎn)動的，數(shù)控系統(tǒng)檢測電機的位置以及速度，如果出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)會報警提示。但在隨動控制模式下，伺服電機是可以通過外力轉(zhuǎn)動的，比如，人為的用手去轉(zhuǎn)動伺服電機，電機轉(zhuǎn)動，電機測量系統(tǒng)仍然生效，它的實際位置值也被記錄下來，同時從位置畫面可以看到其坐標(biāo)值的變化，系統(tǒng)不會報警，并且當(dāng)撤銷跟隨方式時，也不需要對各個進給軸重新回參考點。

2）隨動控制的實現(xiàn)

在葉片裝夾過程中，控制策略采用隨動控制模式，尾架電機在尾架虎鉗夾緊的瞬間，可以隨著頭架一起旋轉(zhuǎn)，不會造成葉片扭曲；葉片裝夾完成后，取消隨動控制模式，開始進行加工。

尾架隨動主要是在葉片裝夾時使用，通過PLC程序，令DB3*.DBX2.1 = “0”、DB3*.DBX1.4 = “1”，即可實現(xiàn)隨動控制；反之，令DB3*.DBX2.1 = “1”、DB3*.DBX1.4 = “0”，即可取消隨動控制。

3、主從耦合（master-slave）

1）主從耦合功能簡介

使用主從耦合方式，兩組電機驅(qū)動通過機械耦合到同一跟軸上，主動軸既有位置環(huán)也有速度環(huán)控制，可以實現(xiàn)精確定位；但是從動軸只有速度環(huán)，根據(jù)主動軸的速度指令實現(xiàn)速度環(huán)的控制，通過調(diào)整主從軸的速度差完成兩驅(qū)動間力矩輸出的平衡。主從耦合方式是選項功能，訂貨號是6FC5800-0AM03-0YB0，主從控制原理圖如下圖4所示。

圖4：主從耦合控制原理圖

在葉片粗加工過程中，選用主從耦合，盡管從動軸沒有位置環(huán)控制，但由于是粗加工，對加工精度要求不高，所以影響不大；主從耦合方式通過力矩補償控制器對頭、尾架電機的力矩進行分配，保證頭、尾架驅(qū)動電機處于最佳的力矩耦合狀態(tài)，可以很好的解決在粗加工過程中的葉片加工變形問題。

2）主從耦合控制的實現(xiàn)

在葉片粗加工過程中，控制策略采用主從耦合模式，盡管從動軸沒有位置環(huán)控制，但由于是粗加工，對加工精度要求不高，所以影響不大；主從耦合方式通過力矩補償控制器對頭、尾架電機的力矩進行分配，保證頭、尾架驅(qū)動電機處于最佳的力矩耦合狀態(tài)，可以很好的解決在粗加工過程中的葉片加工變形問題。

采用主從耦合模式時，主要機床參數(shù)設(shè)置如下：（注：參數(shù)需要設(shè)置在從動軸上）

MD37250 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_SPEED_CMD = ”4”

速度耦合的主動軸的機床軸號，A1軸為第4根軸；

MD37252 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR = ”4”

力矩耦合的主動軸的機床軸號，A1軸為第4根軸；

MD37253 $MA_MS_FUNCTION_MASK = ”1”

主從耦合設(shè)置，sl 上推薦設(shè)置1，MD37256、MD37260使用設(shè)置值；

MD37254 $MA_MS_TORQUE_CTRL_MODE = ”1”

力矩補償控制器的輸出方式，0：輸出到主動軸和從動軸；  1：輸出到從動軸；

　　　　　　　　　　　　　2：輸出到主動軸；  　　　　3：無輸出；

MD37255 $ MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION = ”1”

力矩補償控制器的激活方式，0：通過MD37254；1：通過信號DB3*.DBX24.4；

MD37256 $ MA_MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN = ”50”

力矩補償控制器的P增益，范圍：0~100，

設(shè)置值為MD32000（軸最大速度） / P2003（從動軸額定扭矩）的百分?jǐn)?shù)；

MD37258 $ MA_MS_TORQUE_CTRL_I_TIME = ”0.1”

力矩補償控制器的積分時間，增益>0時，積分時間有效；

MD37260 $ MA_MS_MAX_CTRL_VELO= ”100”

力矩補償控制器的最大速度，MD32000的百分比，范圍：0~100；

MD37262 $ MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE = ”0”

主從耦合的激活方式，0：臨時耦合，通過NC指令MASLON或接口信號DB3*.DBX24.7;

　　　　　　　　　　1：永久耦合，NC或PLC控制無效。

MD37264 $ MA_MS_TENSION_TORQUE = ” 0”

主從軸間的張力，張力為參考力矩的百分比，正負值調(diào)整脹緊方向，范圍：-100~100；

MD37266 $ MA_MS_TENSION_TORO _FILTER_TIME = ” 0”

張力調(diào)整的濾波器時間常數(shù)，值>0，張力調(diào)整濾波器有效，范圍：0~100，單位：秒；

MD37268 $ MA_MS_ TORQUE_WEIGHT_SLAVE = ”50”

從軸力矩占總力矩的百分比，若主、從電機一樣，設(shè)為50，范圍：0~100；

MD37270 $ MA_MS_ VELO_TOL_COARSE = ”5”

主從速度差的粗定位窗口，窗口設(shè)置值為MD32000的百分比，范圍：0~100；

MD37272 $ MA_MS_ TORQUE_ VELO_TOL_FINE  = ”1”

主從速度差的精定位窗口，窗口設(shè)置值為MD32000的百分比，范圍：0~100；

MD37274 $ MA_MS_ MOTION_ DIR_REVERSE = ”0”

反向從動軸的移動方向，0：從軸耦合方向不變；1：從軸耦合方向取反。

4、機床坐標(biāo)系耦合（machine coordinate system coupling）

1）機床坐標(biāo)系耦合簡介

在機床中，如果有兩個或兩個以上相對獨立的機床頭需要完成相同的動作，但是卻不能通過標(biāo)準(zhǔn)的耦合功能實現(xiàn)時，可以使用機床坐標(biāo)系耦合功能實現(xiàn)同步的動作，即建立各自獨立的坐標(biāo)系，各自坐標(biāo)系下的幾個軸在運動時通過位置檢測和補償?shù)裙δ軐崿F(xiàn)坐標(biāo)軸之間的位置同步。在機床坐標(biāo)系耦合控制下的軸，具有位移和速度同步功能，以同樣的速度進行運動，速度方向可以相同，也可以相反 ，并可將兩個軸的位置誤差控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

機床坐標(biāo)系耦合下的主動軸可以有1個或者多個從動軸，但是從動軸與主動軸之間不能互換；對于從動軸而言，不能是PLC軸，也不能作為控制軸，并且在JOG模式下，從動軸不能單獨動作。此外，應(yīng)用機床坐標(biāo)系耦合功能，要求主動軸和從動軸必須同是旋轉(zhuǎn)軸或同是直線軸，且主動軸和從動軸不能是轉(zhuǎn)換軸，主軸不能使用機床坐標(biāo)系耦合功能。

需要特別注意的是，機床坐標(biāo)系耦合功能的激活和關(guān)閉，是不可以通過PLC接口信號控制的，只能通過NC指令CC_COPON和CC_COPOFF打開或關(guān)閉。激活機床坐標(biāo)系耦合功能后，在軸診斷畫面下可以看到，從動軸的控制狀態(tài)由速度控制改為位置控制。

機床坐標(biāo)系耦合是選項功能，訂貨號為6FC5800-0AM72-0YB0，這個一個選項包，激活授權(quán)時需要同時選中這個訂貨號，以及6FC5800-0AM23-0YB0，功能才可以生效。

在下圖5中，機床頭1和機床頭2分別由5個坐標(biāo)軸驅(qū)動，其在機械上間接相連，擁有各自獨立的坐標(biāo)系，兩個坐標(biāo)系下的 Y和Y2、Z和Z2、W和W2、A和A2以及C和C2，這5對坐標(biāo)軸均可通過機床坐標(biāo)系實現(xiàn)耦合控制。

圖5：機床坐標(biāo)系耦合示意圖

2）機床坐標(biāo)系耦合功能的實現(xiàn)

葉片精加工時，對頭、尾架電機的定位精度有著嚴(yán)格要求，因此采用機床坐標(biāo)系耦合功能，但該功能是不可以通過PLC接口信號控制的，只能通過NC指令CC_COPON和CC_COPOFF打開或關(guān)閉，如果每次都在程序中輸入這幾個指令比較麻煩，因此使用M代碼調(diào)用。此外，出于安全的考慮，除了在葉片裝夾的過程中，尾架可以隨動，其余狀態(tài)下，頭、尾架都是在同步狀態(tài)，因此在用M代碼打開或是關(guān)閉機床坐標(biāo)系耦合的同時，應(yīng)該相應(yīng)的關(guān)閉或是打開主從耦合功能。

通用參數(shù)設(shè)置如下：

MD10715 [5] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE = ”65”

MD10715 [6] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE = ”66”

MD10716 [5] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE_NAME = ” L65_MCSON”

MD10716 [6] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE_NAME = ” L66_MCSOFF”

再將以下兩個程序拷入制造商循環(huán)目錄下即可。

L65_MCSON.SPF；

MASLOF(AA)

CC_COPON(A,AA)

M17

L66_MCSOFF.SPF；

CC_COPOFF(A,AA)

MASLON(AA)

M17

軸參數(shù)設(shè)置（注：參數(shù)需要設(shè)置在從動軸上）

MD28090 $ MM_NUM_CC_BLOCK_ELEMENTS = ”1”

用于編譯循環(huán)的程序段元素的數(shù)量（DRAM）；

MD28100 $ MM_NUM_CC_BLOCK_USER_MEM = ”100”

用于編譯循環(huán)的程序段存儲器容量（DRAM），單位KB；

MD60946 $MN_CC_ACTIVE_IN_CHAN_MCSC = ”1”

通用參數(shù)，選項功能激活，設(shè)置為1后需要PO復(fù)位，復(fù)位后在軸參數(shù)中，才可以搜索到以下的參數(shù)；

MD63540 $ MA_CC_MASTER_AXIS = ”4”

機床坐標(biāo)系耦合的主動軸的機床軸號，A1軸為第4根軸；

MD63541 $ MA_CC_POSITION_TOL = ”0.5”

從動軸的監(jiān)控窗口，此窗口檢測的是絕對位置；

MD63542 $ MA_CC_PROTEC_MASTER = ”0”

碰撞防護對應(yīng)的主動軸，頭、尾架不會發(fā)生碰撞，故不需要使用碰撞保護功能；

MD63543 $ MA_ CC_PROTEC_OPTIONS = ”0”

碰撞防護功能的配置；

MD63544 $ MA_ CC_COLLISION_WIN = ”-1”

碰撞防護窗口；

MD63545 $ MA_ CC_OFFSET_MASTER = ”0”

用于碰撞防護的零點偏置。

5、控制方式的切換

綜上所述，頭尾架的控制策略同時使用了隨動、主從和坐標(biāo)系耦合三種控制方式，考慮到機床操作的安全性和便利性，應(yīng)用Easy Screen功能設(shè)計用戶界面，操作者通過點擊界面中的垂直按鍵，即可激活對應(yīng)的控制方式。

SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)的硬盤路徑F:\HMI\hmisl\oem\sinumerik\hmi\下有兩個文件夾，文件夾cfg中存放的是界面控制的架構(gòu)文件，文件夾proj中存放制造商二次開發(fā)用的界面文件。

1）修改配置文件easyscreen.ini，指定尾架自動控制界面的存放位置，在系統(tǒng)的診斷畫面下：[STARTFILES]

StartFile07 = area := AreaDiagnosis, dialog:=SlDgDialog, startfile := diag.com；

2）編制頭尾架控制方式切換的界面程序，存放在文件夾prog下，文件名為diag.com，因為機床坐標(biāo)系耦合是必須用指令激活的，所以做界面時使用了文件功能“選擇程序SP”語句，例如，機床坐標(biāo)系耦合方式激活，對應(yīng)語句SP("//NC/CMA.DIR/ L65_MCSON.SPF ")；

3）程序傳入路徑F:\HMI\hmisl\oem\sinumerik\hmi\proj\，系統(tǒng)重啟后，在系統(tǒng)的診斷畫面下會出現(xiàn)軟鍵“頭尾架控制”，點擊該鍵，即可進入頭尾架控制方式切換界面，在界面中點擊對應(yīng)的垂直按鍵，再按下循環(huán)啟動鍵，即可以激活對應(yīng)的方式，同時，頭尾架的控制狀態(tài)也可以在界面中讀出，以方便操作者實時監(jiān)控。頭尾架控制界面如圖6所示。

圖6：頭、尾架控制狀態(tài)界面

四、加工驗證

設(shè)計開發(fā)完成后，嵌入多策略控制模式的六臺XKH800Z機床在本公司經(jīng)過了葉片零件的小批量連續(xù)加工試驗，試驗葉片毛坯為方鋼，尺寸為300×75×45mm，材料為不銹鋼。在葉片小批量連續(xù)加工試驗過程中，多種耦合方式相結(jié)合的頭尾架控制模式，操作方便有效，工作穩(wěn)定可靠，加工出的葉片精度和表面粗糙度檢測合格，通過了用戶的驗收。

機床發(fā)運至無錫透平葉片廠后，用戶使用該機床進行了多種型號的不銹鋼方鋼葉片（毛坯長度200～580mm）和模鍛葉片（毛坯長度350～550mm）的大批量生產(chǎn)，超過半年的切削加工表明，機床工作穩(wěn)定可靠，頭尾架運動控制實用有效，得到用戶好評，為葉片加工精度和加工效率的提高發(fā)揮了重要作用。

五、應(yīng)用體會

通過對SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)主從耦合、隨動控制、機床坐標(biāo)系耦合三個功能的綜合應(yīng)用，形成了可靠有效的嵌入式控制策略，實現(xiàn)了五軸葉片加工中心的頭尾架同步控制，解決了在葉片裝夾、粗加工和精加工過程中，頭尾架控制上不同需求的問題，提高了加工效率，滿足了葉片加工的工藝要求，也充分體現(xiàn)了SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)強大的功能及其良好的開放性。

六、參考文獻

[1] 畢承恩 丁乃建 現(xiàn)代數(shù)控機床   北京機械工業(yè)出版社    1991

[2] SINUMERIK 840D SL維修與調(diào)整    西門子(中國)有限公司 2013

[3] 范伯寧等 PLC可編程序控制器教程 北京海洋出版社 1993

[4] DOConCD SINUMERIK 03_2013  西門子(中國)有限公司 2013

[5] SINUMERIK 840D sl  Easy Screen (BE2)  2011