朱志金，徐朝忠，張志兵

（揚力集團 江蘇揚力數(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州 225009）

0 前言

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)為西門子公司全新一代高檔數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模塊化、開放、靈活而又統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，為使用者提供了最佳的可視化界面和操作編程體驗及最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)集成功能，是一個創(chuàng)新的能適用于所有工藝功能的系統(tǒng)平臺。本文主要介紹該系統(tǒng)在EP20型全電伺服數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上的應(yīng)用。

目前，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床已經(jīng)發(fā)展到第三代：第一代為機械式；第二代為液壓式，也是目前市場上的主流傳動方式；第三代為全電伺服型，該種轉(zhuǎn)塔沖床定位精度更高、打擊模式更多，可通過編程靈活實現(xiàn)靜音、壓印、成型、滾筋等各種沖壓模式。該機床正在以其具有的高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，吸引眾多機床制造商紛紛加強研制開發(fā)。

1 機床電氣設(shè)計

機床電氣部分主要由西門子數(shù)控系統(tǒng)、NCU模塊、驅(qū)動模塊和伺服電機組成，西門子內(nèi)部各模塊之間通過網(wǎng)線或總線連接，伺服沖壓軸由其他伺服驅(qū)動和伺服電機組成，數(shù)控系統(tǒng)通過PROFIBUS總線通訊，對伺服沖壓軸驅(qū)動進行控制。連接控制圖如圖1所示。

1.1 NCU單元

NCU是電氣控制的核心部分，主要用來控制各坐標軸的運行，通過內(nèi)置PLC進行各輔助功能的控制，保證機床動作協(xié)調(diào)可靠。

1.2 TCU（Thin Client Unit）單元

無系統(tǒng)軟件，相當于無盤終端。通過網(wǎng)絡(luò)與NCU（840Dsl）連接。通過NCU裝載操作系統(tǒng)。

1.3 I/O模塊

該模塊選用PP72/48輸入輸出模塊，可提供72個數(shù)字輸入和48個數(shù)字輸出。每個模塊具有三個獨立的50芯插槽，每個插槽中包括了24位數(shù)字量輸入和16位數(shù)字量輸出（輸出的驅(qū)動能力為0.25A，系數(shù)為1）。

1.4 ALM（電源）模塊

調(diào)節(jié)型進線電源模塊（Active Line Module縮寫為ALM），具有DRIVE-CLiQ接口，由840Dsl X100接口引出的驅(qū)動控制電纜DRIVE-CLiQ連接到ALM的X200接口。電機模塊的X200連接到NCU的X101接口，然后由此電機模塊的X201連接至下一相鄰電機模塊的X200，按此規(guī)律連接所有電機模塊。

1.5 SINAMICS S120（驅(qū)動模塊）

西門子公司新的一代驅(qū)動系統(tǒng)。S120驅(qū)動系統(tǒng)采用了最先進的硬件技術(shù)、軟件技術(shù)以及通訊技術(shù)，采用高速DRIVE-CLiQ驅(qū)動接口，系統(tǒng)可以自動識別所配置的驅(qū)動系統(tǒng)，具有更高的控制精度和動態(tài)控制特性，更高的可靠性，實時根據(jù)CNC輸出的伺服指令，驅(qū)動 X、Y、T（A）、C 伺服電機運動。

1.6 沖壓軸伺服模塊

圖1 電氣設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

該伺服模塊選用帶有DP100通訊模塊，通過DP總線與西門子NCU單元進行通訊，對沖壓軸伺服電機進行控制。

2 PLC程序結(jié)構(gòu)

西門子840Dsl系統(tǒng)使用S7-300編程軟件，支持S7-300的所有Profibus I/O接口模塊，PP72/48、ET200M、ET200S、ET200Pro......接口模塊。

在EP20型全電伺服沖床中，X126口為Profibus接口，通過總線連接PP72/48模塊，X136口為DP/MPI接口，通過DP總線連接沖壓軸伺服模塊，硬件設(shè)計如圖2所示。

由于輸入/輸出地址從I0.0和Q0.0開始已經(jīng)被MCP面板使用，因而PP72/48模塊上X111、X222、X333輸入/輸出接口地址可以通過自定義來確定。如圖3所示。

在S7-300中，沖壓軸伺服模塊通過在硬件配置中外掛一個DP100-DPV2硬件來實現(xiàn)控制并可對地址進行分配。如圖4所示。

圖2 PLC硬件設(shè)計原理

圖3 I/O接口地址分配

圖4 沖壓軸地址分配

3 轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)與模具庫

3.1 轉(zhuǎn)塔分度

把轉(zhuǎn)塔設(shè)置為旋轉(zhuǎn)軸A軸，在A軸軸參數(shù)中通過設(shè)置MD30500=1，把A軸定義為分度軸，工位數(shù)量通過參數(shù)MD10900設(shè)置，從10910[0]開始，對應(yīng)不同的工位角度，在EP20伺服沖床中，轉(zhuǎn)塔分為30工位，所以MD10900=30，10910[0]=0對應(yīng)第一個工位角度為0，往下依次設(shè)定至10910[29]=339.75，對應(yīng)的第30工位角度為339.75°。對于其他型號的機床，工位的數(shù)量和角度可根據(jù)機床實際分配情況對參數(shù)進行設(shè)置。

3.2 模具庫設(shè)置

在模具庫中，刀具的數(shù)量根據(jù)機床的工位數(shù)量進行設(shè)置，刀具設(shè)置見圖5。

由于轉(zhuǎn)塔在加工中心加工過程中存在誤差，所以通過幾何長度2和幾何長度3來對不同工位的Y和X方向尺寸誤差進行補償，幾何半徑為工位半徑尺寸，用于沖壓時調(diào)用，保護刀具和夾鉗。

夾鉗檢測程序如下：

圖5 刀具設(shè)置圖

；DETECT

DEF INT NUM=0

DEF REAL STEP=-100，MAXIMUM=200

R100=0 R101=0 R102=0 R103=0

L103

STOPRE

G01 G53 G90 X=MAXIMUM F30000 MEAS=1

IF$AC_MEA[1]

R101=$AA_MM[X]

R101=TRUNC（R101）

R104=R101+R114-R112/2

NUM=1

G91 X=STEP

ELSE

GOTOF LAB

ENDIF

STOPRE

G01 G53 G90 X=MAXIMUM F30000 MEAS=1

IF$AC_MEA[1]

R102=$AA_MM[X]

R102=TRUNC（R102）

R105=R102+R115-R112/2

NUM=2

G91 X=STEP

ELSE

GOTOF LAB

ENDIF

STOPRE

LAB：R100=NUM

M82

CASE R100 OF 1 GOTOF LC1 2 GOTOF

LC2DEFAULT GOTOF ERROR

LC1：MSG（"ONE/1 CLAMP"）

GOTOF END

LC2：MSG（"TWO/2 CLAMPS"）

GOTOF END

ERROR：L103

MSG （"No clamp or too much，press reset to abort!"）

GOTOB ERROR

END：L103

M17

通過運行該子程序，可檢測出夾鉗的坐標點，并把坐標值賦值給R參數(shù)，通過R參數(shù)計算夾鉗的寬度和長度，最終確定夾鉗和模具的坐標保護范圍。

刀具保護子程序如下：

；DEFINEAREA

STOPRE

G40

STOPRE

$SC_PA_ACTIV_IMMED[0]=0

$SC_PA_T_W[0]=0

$SC_PA_ORI[0]=0

$SC_PA_LIM_3DIM[0]=0

$SC_PA_PLUS_LIM[0]=0

$SC_PA_MINUS_LIM[0]=0

$SC_PA_CONT_NUM[0]=4

$SC_PA_CONT_TYP[0，0]=1

$SC_PA_CONT_ORD[0，0]=R110+R111+R113

$SC_PA_CONT_ABS[0，0]=R104-R110-R112/2

$SC_PA_CONT_TYP[0，1]=1

$SC_PA_CONT_ORD[0，1]=0-R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[0，1]=R104-R110-R112/2

$SC_PA_CONT_TYP[0，2]=1

$SC_PA_CONT_ORD[0，2]=0-R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[0，2]=R104+R110+R112/2

$SC_PA_CONT_TYP[0，3]=1

$SC_PA_CONT_ORD[0，3]=R111+R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[0，3]=R104+R110+R112/2

STOPRE

$SC_PA_ACTIV_IMMED[1]=0

$SC_PA_T_W[1]=0

$SC_PA_ORI[1]=0

$SC_PA_LIM_3DIM[1]=0

$SC_PA_PLUS_LIM[1]=0

$SC_PA_MINUS_LIM[1]=0

$SC_PA_CONT_NUM[1]=4

$SC_PA_CONT_TYP[1，0]=1

$SC_PA_CONT_ORD[1，0]=R111+R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[1，0]=R105-R110-R112/2

$SC_PA_CONT_TYP[1，1]=1

$SC_PA_CONT_ORD[1，1]=0-R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[1，1]=R105-R110-R112/2

$SC_PA_CONT_TYP[1，2]=1

$SC_PA_CONT_ORD[1，2]=0-R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[1，2]=R105+R110+R112/2

$SC_PA_CONT_TYP[1，3]=1

$SC_PA_CONT_ORD[1，3]=R111+R110+R113

$SC_PA_CONT_ABS[1，3]=R105+R110+R112/2

M17

在機床運行過程中，在使用選刀程序時，通過調(diào)用DEFINEAREA刀具保護子程序，對夾鉗和刀具實行有效保護。

4 沖壓軸控制

在沖壓軸伺服模塊上增加DP100通訊模塊，使用西門子PLC模塊中的H功能和M功能，在選刀子程序中編入打擊模式和打擊行程控制等數(shù)據(jù)，通過DP100通訊模塊，對沖壓軸的打擊模式和打擊行程等進行有效控制。

沖壓信號和結(jié)束反饋等信號通過西門子系統(tǒng)內(nèi)部的沖壓功能模塊，直接從I/O高速口輸入/輸出，降低了PLC掃描時間，使打擊響應(yīng)速度更快。

選刀具子程序如下：

；LT（NUM）

PROC LT（INT NUM） SAVE DISPLOF

M50

G4F0.5

M81

STOPPRE

IF （NUM<=0） OR （NUM>R107） GOTOF ERROR

IF R148<>0 GOTOF LOOP1

LOOP1：POS[A]=CDC（NUM） FA[A]=R108 T=NUM

IF（NUM==1）OR（NUM==16）GOTOF CC

CC：R109=NUM

IF R148==0 GOTOF LOOP2

GOTOF LOOP5

LOOP2：IF（NUM==1）OR（NUM==16） GOTOF

LOOP3

GOTOF LOOP5

LOOP3：

M68

STOPRE

IF NUM==1 GOTOF COMP1

IF NUM==16 GOTOF COMP16

GOTOF LOOP5

COMP1：R160=R151

GOTOF LOOP5

COMP16：R160=R152

STOPRE

GOTOF LOOP5

ERROR：MSG（"Tool’s number is wrong，please correct it！"）

GOTOBERROR

M17

LOOP5：

IF R146>4 GOTOF AA4

IF R146>3 GOTOF AA3

IF R146>2 GOTOF AA2

IF R146>1 GOTOF AA1

R170=1404-R175

GOTOF AA0

AA4：R170=900-R175

GOTOF AA0

AA3：R170=1146-R175

GOTOF AA0

AA2：R170=1224-R175

GOTOF AA0

AA1：R170=1309-R175

AA0：IF（NUM==1）OR（NUM==8）OR（NUM==16）OR（NUM==23） GOTOF LP1

IF（NUM==5）OR（NUM==20） GOTOF LP2

GOTOF LP0

LP1：R170=R170-R178

GOTOF LP0

LP2：R170=R170-R177

LP0：H1=R170 H2=2347 H3=1

H1=500 H2=3371 H3=2

M38

PROTECT

F=R119

M55

G4F0.5

M80

M17

在此選刀程序中，利用H代碼和M代碼指令，對打擊模式、打擊行程、打擊速度等賦值，通過PLC程序賦值到?jīng)_壓軸伺服中。參照選刀子程序，同樣可以實現(xiàn)對不同工位的預(yù)壓點、送料點、下死點、打擊模式、打擊速度等分別實現(xiàn)智能化控制。

5 總結(jié)

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)相比較其他數(shù)控系統(tǒng)，內(nèi)含數(shù)控沖床專用的沖壓模塊等，功能更強大、響應(yīng)速度更快，人機界面更完善。圖6為我公司研制的EP20型全電伺服轉(zhuǎn)塔沖床。

圖6 EP20型全電伺服轉(zhuǎn)塔沖床

[1]李 兵.數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的最新發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（3）.

[2]梁 彤.SIEMENS PLC標準功能塊開發(fā)的實例應(yīng)用[J].機械工程與自動化，2013，（2）.

[3]西門子公司.SINUMERIK 840Dsl/828D高級編程手冊.

[4]西門子公司.SINUMERIK 840D solution line簡明調(diào)試手冊.