代麗麗

(北京機(jī)電院機(jī)床有限公司，北京 100027)

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從單一到多樣化
——淺述多種軸耦合模式在五軸葉片加工中心上的應(yīng)用

代麗麗

(北京機(jī)電院機(jī)床有限公司，北京 100027)

介紹了應(yīng)用SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動葉片加工中心電氣控制的方案，重點(diǎn)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(shí)隨動控制、粗加工時(shí)主從耦合、精加工時(shí)機(jī)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(jī)床的性能，使其操作更便捷、更智能，同時(shí)提高了葉片的加工效率及切削質(zhì)量。

SINUMERIK 840D sl; 隨動控制; 主從耦合;人機(jī)界面; 機(jī)床坐標(biāo)系耦合

1 項(xiàng)目簡介

XKH 系列五軸聯(lián)動葉片加工中心是北京機(jī)電院機(jī)床有限公司應(yīng)用自主技術(shù)，結(jié)合葉片工件加工特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)的專業(yè)葉片加工機(jī)床，已成功在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，用戶包括東方汽輪機(jī)廠、無錫葉片廠、黎明發(fā)動機(jī)公司等主機(jī)廠，以及為主機(jī)廠進(jìn)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(xiàng)課題“國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)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(jī)床的要求，在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，機(jī)床型號為XKH800Z，機(jī)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(jī)床工作臺沿X軸線左右運(yùn)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(jìn)行擺動(B軸)，Z軸采用雙絲杠進(jìn)行同步驅(qū)動(Z1，Z2)，B軸由力矩電動機(jī)直接驅(qū)動；頭架(A1軸)和尾架(A2軸)安裝在工作臺上，均采用力矩電動機(jī)直接驅(qū)動、同步回轉(zhuǎn)，同時(shí)，尾架在工作臺上通過U軸可以根據(jù)工件尺寸的不同進(jìn)行調(diào)整，切削時(shí)頭尾架則通過液壓進(jìn)行鎖緊。

2 數(shù)控系統(tǒng)配置

XKH800Z五軸聯(lián)動葉片加工中心有5個(gè)直線軸(X，Y，Z1，Z2，U)，3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(A1，A2，B)和1個(gè)主軸(SP1)，共9個(gè)軸需要控制。機(jī)床選用 SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)，由于控制軸數(shù)較多，設(shè)計(jì)通過連接NX模塊增強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)對Z1軸、Z2軸、A1軸、A2軸的控制，控制框架圖如圖2所示。

2.1 控制單元NCU720.3

控制單元NCU720.3控制5個(gè)軸，通過DRIVE-CLiQ接口進(jìn)行模塊間、模塊與電動機(jī)編碼器間的通訊。因?yàn)閅軸、U軸、X軸和B軸選用的是1FT7系列標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)，電動機(jī)自身帶DRIVE-CLiQ接口，可與電動機(jī)模塊直接連接；而主軸電動機(jī)選用第三方電動機(jī)，編碼器信號需要加配SMC20模塊進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后與電動機(jī)模塊進(jìn)行連接。

2.2 控制單元NX15

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

3 頭尾架運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)

3.1 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(shí)工件頭部由頭架夾持，尾部由尾架夾持。如果工件的擺動只由頭架進(jìn)行驅(qū)動，在加工到工件尾部時(shí)，由于工件剛度較弱，加工誤差較大。為保證加工精度，設(shè)計(jì)采用力矩電動機(jī)驅(qū)動頭架(A1軸)和尾架(A2軸)進(jìn)行同步驅(qū)動，起到改善工件在切削狀態(tài)下的剛度的作用，同時(shí)采用高精度角度編碼器進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高運(yùn)動精度。

產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)時(shí)，頭架(A1軸)和尾架(A2軸)選用GANTRY軸的控制方式，要求兩個(gè)軸時(shí)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(shí)際加工時(shí)發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題，第一是在工件裝夾時(shí)，由于頭尾架電動機(jī)是GANTRY軸的控制方式，尾架電動機(jī)在尾架虎鉗夾緊的瞬間，不能隨動旋轉(zhuǎn)，會造成工件扭曲，影響后續(xù)的加工精度，并且尾架電動機(jī)扭矩會加大，久而久之會影響電動機(jī)的使用壽命；第二個(gè)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，由于尾架電動機(jī)不能隨動旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頭尾架電動機(jī)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)的其他多軸耦合功能，經(jīng)過反復(fù)嘗試和試驗(yàn)，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(shí)的隨動控制、粗加工時(shí)的主從耦合、精加工時(shí)的機(jī)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，滿足工件在裝夾、粗加工以及精加工過程的不同需求，以提升機(jī)床的加工效率和加工精度。

工件加工示意圖如圖3所示。

3.2 隨動控制

(1)隨動控制簡介

一般控制狀態(tài)下，伺服電動機(jī)加上使能后，電動機(jī)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)檢測電動機(jī)的位置以及速度，如果出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)會報(bào)警提示。但在隨動控制模式下，伺服電動機(jī)是可以通過外力轉(zhuǎn)動的，比如，人為地用手去轉(zhuǎn)動伺服電動機(jī)，電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)測量系統(tǒng)仍然生效，它的實(shí)際位置值也被記錄下來，同時(shí)從位置畫面可以看到其坐標(biāo)值的變化，系統(tǒng)不會報(bào)警，并且當(dāng)撤銷跟隨方式時(shí)，也不需要對各個(gè)進(jìn)給軸重新回參考點(diǎn)。

(2)隨動控制的實(shí)現(xiàn)

在工件裝夾過程中，控制策略采用隨動控制模式，尾架電動機(jī)在尾架虎鉗夾緊的瞬間，可以隨著頭架一起旋轉(zhuǎn)，不會造成工件扭曲；工件裝夾完成后，取消隨動控制模式，開始進(jìn)行加工。

尾架隨動主要是在工件裝夾時(shí)使用，通過PLC程序，令DB3*.DBX2.1 = “0”、DB3*.DBX1.4 = “1”，即可實(shí)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。

3.3 主從耦合

(1)主從耦合功能簡介

使用主從耦合方式，兩組電動機(jī)驅(qū)動通過機(jī)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(shí)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(shí)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(xiàng)功能，訂貨號是6FC5800-0AM03-0YB0。

在工件粗加工過程中，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(bǔ)償控制器對頭、尾架電動機(jī)的力矩進(jìn)行分配，保證頭、尾架驅(qū)動電動機(jī)處于最佳的力矩耦合狀態(tài)，可以很好地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(shí)現(xiàn)

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

MD37250 MYMMA_MS_ASSIGN_MASTER_SPEED_CMD = “4”

速度耦合的主動軸的機(jī)床軸號，A1軸為第4根軸；

MD37252 MYMMA_MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR = “4”

力矩耦合的主動軸的機(jī)床軸號，A1軸為第4根軸；

MD37253 MYMMA_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 MYMMA_MS_TORQUE_CTRL_MODE = “1”

力矩補(bǔ)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 MYM MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION =“1”

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

MD37256 MYM MA_MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN = “50”

力矩補(bǔ)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 MYM MA_MS_TORQUE_CTRL_I_TIME = “0.1”

力矩補(bǔ)償控制器的積分時(shí)間，增益>0時(shí)，積分時(shí)間有效；

MD37260 MYM MA_MS_MAX_CTRL_VELO= “100”

力矩補(bǔ)償控制器的最大速度，MD32000的百分比，范圍：0～100；

MD37262 MYM MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE =“0”

主從耦合的激活方式，0：臨時(shí)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 MYM 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(fù)值調(diào)整張緊方向，范圍：-100～100；

MD37266 MYM MA_MS_TENSION_TORO _FILTER_TIME = “0”

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

MD37268 MYM MA_MS_ TORQUE_WEIGHT_SLAVE = “50”

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

MD37270 MYM 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 MYM 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 MYM 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。

3.4 機(jī)床坐標(biāo)系耦合

(1)機(jī)床坐標(biāo)系耦合簡介

在機(jī)床中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上相對獨(dú)立的機(jī)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(shí)現(xiàn)時(shí)，可以使用機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能實(shí)現(xiàn)同步的動作，即建立各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，各自坐標(biāo)系下的幾個(gè)軸在運(yùn)動時(shí)通過位置檢測和補(bǔ)償?shù)裙δ軐?shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸之間的位置同步。在機(jī)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(jìn)行運(yùn)動，速度方向可以相同，也可以相反 ，并可將兩個(gè)軸的位置誤差控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

機(jī)床坐標(biāo)系耦合下的主動軸可以有1個(gè)或者多個(gè)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(dú)動作。此外，應(yīng)用機(jī)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(jī)床坐標(biāo)系耦合功能。

需要特別注意的是，機(jī)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(jī)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(jī)床坐標(biāo)系耦合是選項(xiàng)功能，訂貨號為6FC5800-0AM72-0YB0，這個(gè)選項(xiàng)包，激活授權(quán)時(shí)需要同時(shí)選中這個(gè)訂貨號，以及6FC5800-0AM23-0YB0，功能才可以生效。

在圖4中，機(jī)床頭1和機(jī)床頭2分別由5個(gè)坐標(biāo)軸驅(qū)動，其在機(jī)械上間接相連，擁有各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，兩個(gè)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(jī)床坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)耦合控制。

(2)機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的實(shí)現(xiàn)

工件精加工時(shí)，對頭、尾架電動機(jī)的定位精度有著嚴(yán)格要求，因此采用機(jī)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(gè)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，除了在工件裝夾的過程中，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(jī)床坐標(biāo)系耦合的同時(shí)，應(yīng)該相應(yīng)地關(guān)閉或是打開主從耦合功能。

通用參數(shù)設(shè)置如下：

MD10715 [5] MYM MN_M_NO_FCT_CYCLE = “65”

MD10715 [6] MYM MN_M_NO_FCT_CYCLE = “66”

MD10716 [5] MYM MN_M_NO_FCT_CYCLE_NAME = “ L65_MCSON”

MD10716 [6] MYM MN_M_NO_FCT_CYCLE_NAME = “ L66_MCSOFF”

再將以下兩個(gè)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 MYM 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 MYM 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 MYMMN_CC_ACTIVE_IN_CHAN_MCSC = “1”

通用參數(shù)，選項(xiàng)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 MYM MA_CC_MASTER_AXIS = “4”

機(jī)床坐標(biāo)系耦合的主動軸的機(jī)床軸號，A1軸為第4根軸；

MD63541 MYM 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 MYM MA_CC_PROTEC_MASTER = “0”

碰撞防護(hù)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(hù)功能；

MD63543 MYM MA_ CC_PROTEC_OPTIONS = “0”

碰撞防護(hù)功能的配置；

MD63544 MYM MA_ CC_COLLISION_WIN = “-1”

碰撞防護(hù)窗口；

MD63545 MYM MA_ CC_OFFSET_MASTER = “0”

用于碰撞防護(hù)的零點(diǎn)偏置。

3.5 控制方式的切換

綜上所述，頭尾架的控制策略同時(shí)使用了隨動、主從和坐標(biāo)系耦合三種控制方式，考慮到機(jī)床操作的安全性和便利性，應(yīng)用Easy Screen功能設(shè)計(jì)用戶界面，操作者通過點(diǎn)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:HMIhmisloemsinumerikhmi下有兩個(gè)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?yàn)闄C(jī)床坐標(biāo)系耦合是必須用指令激活的，所以做界面時(shí)使用了文件功能“選擇程序SP”語句，例如，機(jī)床坐標(biāo)系耦合方式激活，對應(yīng)語句SP("http://NC/CMA.DIR/ L65_MCSON.SPF ")。

(3)程序傳入路徑F:HMIhmisloemsinumerikhmiproj，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(diǎn)擊該鍵，即可進(jìn)入頭尾架控制方式切換界面，在界面中點(diǎn)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(shí)，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(shí)時(shí)監(jiān)控。頭尾架控制界面如圖5所示。

4 加工驗(yàn)證

設(shè)計(jì)開發(fā)完成后，嵌入多策略控制模式的6臺XKH800Z機(jī)床在筆者公司經(jīng)過了葉片工件的小批量連續(xù)加工試驗(yàn)，試驗(yàn)葉片毛坯為方鋼，尺寸為300 mm×75 mm×45 mm，材料為不銹鋼。在葉片小批量連續(xù)加工試驗(yàn)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(yàn)收。

機(jī)床發(fā)運(yùn)至無錫透平葉片廠后，用戶使用該機(jī)床進(jìn)行了多種型號的不銹鋼方鋼葉片(毛坯長度200～580 mm)和模鍛葉片(毛坯長度350～550 mm)的大批量生產(chǎn)，超過半年的切削加工表明，機(jī)床工作穩(wěn)定可靠，頭尾架運(yùn)動控制實(shí)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。

5 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(jī)床坐標(biāo)系耦合3個(gè)功能的綜合應(yīng)用，形成了可靠有效的嵌入式控制策略，實(shí)現(xiàn)了五軸葉片加工中心的頭尾架同步控制，解決了在工件裝夾、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(qiáng)大的功能及其良好的開放性。

[1]畢承恩,丁乃建.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[2]SINUMERIK 840D SL維修與調(diào)整[Z].北京：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[M].北京:海洋出版社,1993.

[4]DOConCD SINUMERIK 03_2013[Z].北京：西門子(中國)有限公司,2013.

[5]SINUMERIK 840D sl Easy Screen (BE2)[Z].北京：西門子(中國)有限公司，2011.

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From one to more-analyze several coupled axes mode used in the five axes blade machine center

DAI Lili

(BMEIMT Co.,Ltd., Beijing 10027，CHN)

This paper introduces the application of SINUMERIK 840D sl in the Five axes blade machining center. Expounds the realization of master-slave coupling, follow-up mode, and the machine coordinate system coupling, to improve the performance of the machine tool, more convenient, more efficient, more accuracy, and more intelligent.

SINUMERIK 840D sl;follow-up mode;master-slave;man-machine interface;machine coordinate system coupling

??

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.031

代麗麗，女，1982年生，高級工程師，主委研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)。

(編輯 譚弘穎)

2016-07-05)

161138