摘要：西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK 840D SL具有強大的控制性能，廣泛適用于功能復雜的大型龍門數(shù)控機床。本文結合我公司生產的GMC2230五面體龍門加工中心，對五軸頭控制部分進行介紹。重點描述了單伺服電機進行主軸（SP）、A軸及C軸的控制設計，參數(shù)設置及功能調試。

Abstract： Siemens CNC system SINUMERIK 840D SL has powerful control performance and is widely used in large-scale gantry CNC machine tools with complex functions.This article combines the GMC2230 pentahedral gantry machining center produced by our company to introduce the five-axis head control part. It focuses on the control design，parameter setting and function debugging of the spindle （SP）， A-axis and C-axis with a single servo motor.

關鍵詞：五面體龍門加工中心;SINUMERIK 840D SL;CYCLE800;Setpoint Exchange;HEAD_A;HEAD_C

Key words： five-sided gantry machining center;SINUMERIK 840D SL;CYCLE800;Setpoint Exchange;HEAD_A;HEAD_C

中圖分類號：TG659 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0052-04

0 ?引言

目前，隨著零件加工需求的不斷提升，五面體龍門加工中心的需求不斷增加，就針對五面體的加工而言，不需要進行五軸的插補加工，只需要在設計中將坐標系隨著五軸頭進行同步轉換，本次設計選用了西門子SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)，結合了其強大的系統(tǒng)控制功能和精密的伺服控制，使用基于Step7-300的PLC邏輯控制器進行程序設計，完美的實現(xiàn)了以上功能。

1 ?設計方案制定

由于箱體、復雜形面等大型零件都具有一次裝夾，對多種孔系及各種斜面進行五面加工的特征，因此對機床的切削性能及系統(tǒng)功能要求很高，對主軸來說就要求具有大扭矩和多工藝性的性能，本機床的設計采用了ZF齒輪減速箱，及FM58系列強力萬向五軸頭，該設計涉及了機械、電氣、液壓等大量的工作，并且集成化程度都很高。

1.1 系統(tǒng)方案確定

1.1.1 機床硬件配置

機床型號：GMC2230五面體龍門加工中心

五軸頭：FM58系列強力萬向五軸頭

主軸齒輪箱：ZF兩檔減速機

主軸最高轉速：低檔50-3000rpm，高檔50-6000rpm

主軸功率：30kW

數(shù)控系統(tǒng)：SINUMERIK 840D SL

系統(tǒng)面板：MCP 483

伺服驅動：SINAMICS SL120

X軸電機：1FT6134

Y/Z軸電機：1FK7105

主軸電機：1PH8163

1.1.2 主機結構

①機床具有三個直線進給軸（X/Y/Z）、五面體強力銑削主軸、主軸電機通過1：1和1：4雙速減速機與五面體銑削主軸聯(lián)結。C軸控制范圍-90～270°，A軸控制范圍-110～110°。在設計中采用CYCLE800進行坐標系轉換控制。

②機床配置的C軸和A軸具有獨立的海德漢ROD486圓光柵作為旋轉軸的角度反饋。其中C軸為1VPP8192線，A軸為1VPP1024線，因而增加2個SMC20編碼器模塊。

③主軸電機工作于三種狀態(tài)：主軸SP、旋轉軸C及旋轉軸A，為實現(xiàn)該功能，增加“設定值切換”授權6FC5800-0AM05-0YB0和“附加1根進給軸/主軸”授權6FC5800-0AA00-0YB0。

④本機床要求同時具備在手動方式下對五軸頭進行任意角度操作，因此，選用具備CYCLE800功能的SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)。

1.2 控制系統(tǒng)完成的主要功能

SINUMERIK 840D SL具有Setpoint Exchange功能，可以實現(xiàn)使用一個伺服電機控制多個機床軸的需求，并且可以根據(jù)實際操作需求進行實軸與虛軸的切換，形成各軸獨立的控制系統(tǒng)。

1.2.1 主軸關聯(lián)參數(shù)設置

如圖1所示整體傳動中可以看到，主電機可工作于三種狀態(tài)，當A軸和C軸處于鎖定狀態(tài)時，主電機工作于主軸模式，帶動刀具旋轉;當A軸處于松開狀態(tài)，主電機工作于角度旋轉軸A控制方式;當C軸處于松開狀態(tài)，主電機工作于角度旋轉軸C控制方式。

參數(shù)設定中，SP、A、C軸具有各自獨立的控制參數(shù)，而在硬件控制上是共用一個主軸驅動及電機。

在基本參數(shù)和通道參數(shù)中必須設置為六個軸（X/Y/Z/SP/A/C），具體參數(shù)設置如表1及表2所示。

因A軸和C軸無獨立控制模塊，將A軸編碼器掛載于X軸驅動模塊上作為X軸的第二編碼器，C軸編碼器掛載于Z軸驅動模塊上作為Z軸的第二編碼器。

1.2.2 五軸頭液壓系統(tǒng)結構及控制要求

如圖2所示，A/C軸具有獨立的鎖緊/放松液壓控制回路。由于機械精度較高，各軸的鎖緊/放松油壓各不相同，為保障可靠工作，該液壓系統(tǒng)具有：總壓力、A軸鎖緊壓力、A軸放松壓力、C軸鎖緊壓力、C軸放松壓力等專用檢測壓力繼電器。A/C軸同時具有狀態(tài)到位檢測開關。

1.2.3 五軸頭的電氣控制流程

在這次設計中，將機床軸數(shù)據(jù)區(qū)X/Y/Z/SP/A/C分別與DB31/ DB32/ DB33/ DB34/ DB35/ DB36數(shù)據(jù)塊相對應。在設計中由于機械結構的限制，A/C軸轉位控制必須是主軸處于低速檔上才能進行，同時在控制A/C軸松開前必須進行定向操作，因此將A/C軸松開到位的信號作為Setpoint Exchange激活條件。

PLC程序嚴格按照圖3的控制流程編寫完成后，主軸、A軸、C軸的NC脈沖使能和轉速控制器使能，將會根據(jù)實際操作來定義DB數(shù)據(jù)塊對用的數(shù)值，從而達到自動切換控制軸的目的。

1.2.4 HEAD_A和HEAD_C程序

HEAD_A和HEAD_C子程序用于在操作面板上對A/C軸進行快速定位。

在程序中需要對當前及完成后的A/C軸位置進行存儲，以便在CYCLE800程序中正確進行坐標系變換。

下列程序以HEAD_A為例

N10 ?PROC HEAD_A（REAL ProgPos） SAVE DISPLOF SBLOF

N20 ? ?DEF REAL rpm_s

N30 ? ?DEF INT ?dir_s

N40 ? ?DEF INT ?B_Pos_dir

N50 ? ?DEF BOOL _m7，_m8

N60 DEF REAL sp_gain， sp_pos_velo

N70 IF $P_SEARCH GOTOF _END

N80 IF （ProgPos>90） OR （ProgPos<-90） OR （ （ ProgPos） MOD 5） <> 0

N90 MSG（"編程位置錯誤，A軸無轉動！"）

N100 GOTOF _END

N110 ENDIF

N120 IF ProgPos==HEAD_A_CurPos

N130 MSG（"編程位置等于當前位置，A軸無轉動！"）

N140 G4F0.2

N150 GOTOF _END

N160 ENDIF

M5

N170 M41 ;主軸低檔

IF -（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）<0

R50=-（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）+360

ELSE

R50=-（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）

ENDIF

N180 SPOS=R50 ?;-（HEAD_A_CurPOS+HEAD_C_CurPOS）

N190 MSG（"A軸放松"）

N200 STOPRE

N210 M21;A軸放松

N220 G4F1

N230 HEAD_A_ProgPos=ProgPos-HEAD_A_CurPOS

N240 G01G91A=HEAD_A_ProgPos F1000

N250 MSG（"A軸夾緊"）

N260 STOPRE

N270 M20 ;A軸夾緊

N280 G4F0.5

N290 STOPRE

N300 HEAD_A_CurPOS=PROGPOS

N310 _END

N320 STOPRE

;N780 H1=0

N340 STOPRE

N350 M17

1.2.5 ATC自動換刀控制

因機床配置五軸頭，加工過程存在坐標系的轉換，為了確保換刀的順利進行，必需嚴格按照以下步驟要求來完成。

每一次換刀前，首先對主軸進行定向運行，使得五軸頭內部齒輪處于可脫開位置。

通過CYCLE800對A/C軸進行換刀位置恢復，即A=0°，C=90°。

取消CYCLE800，坐標系還原與機床坐標系。

運行X/Y/Z軸到換刀點。

主軸執(zhí)行第二次定向于換刀位置。

執(zhí)行換刀動作。

主軸進行定向運行，使得五軸頭內部齒輪處于可脫開位置。

通過CYCLE800對A/C軸進行換刀位置恢復，即A=0°，C=0°。

取消CYCLE800，坐標系還原與機床坐標系。

具體程序編寫如下：

N10 PROC L6 SBLOF DISPLOF SAVE

N20 DEF INT _ACT，_NWT; Integer Active Tool Data

N30 STOPRE

N40 GETSELT（_NWT） ; Order Tool Number

N50 _ACT=$TC_MPP6[9998，1] ; Current Tool Number

N70 IF（（$P_SIM==1） OR （$P_ISTEST==1）） GOTOF END1

N80 IF（（$P_SEARCH==0） AND （_NWT==_ACT） AND （_NWT>0） AND （_ACT>0）） GOTOF INFO1

N90 IF（（$P_SEARCH==0） AND （_NWT==_ACT） AND （_NWT==0） AND （_ACT==0）） GOTOF INFO2

IF （（$TC_MPP4[9998，2]<>0） AND （$TC_MPP4[9998，3]<>0）） GOTOF NOERR

MSG（"*** 機械手上有刀具，不能運行程序。請取下機械手上的刀具 ***"）

LOOP

G4F1

ENDLOOP

NOERR：

N100 STOPRE

MCALL

G40

D0

CYCLE800（）

M5

G0G90G153G500Z0

CYCLE800（0，"SETCO"，100000，39，0，0，0，-90，0，0，0，0，0，-1，100，1）

SPOS=199.712;197.092;（" $MN_USER_DATA_FLOAT[0]"）

CYCLE800（）

D0

G0G153G90G500Z0

M82 ;刀套下

M84 ;扣刀

M80 ;松刀

N150 M206;Tool Change Order

M85;刀臂旋轉換刀

M81;緊刀

M86;刀臂回零

M83;刀套上

N130 STOPRE

N140 END1：

N150 D0

CYCLE800（0，"SETCO"，100000，39，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1，100，1）

N180 M17

N190 INFO1：MSG（"**** 無換刀動作原因：編程刀具號 = 主軸刀具號 ****"）

N200 G04F0.5

N210 MSG（""）

N220 M17

N230 INFO2：MSG（"**** 無換刀動作原因：主軸上無刀 ****"）

N240 G04F0.5

N250 MSG（""）

N260 M17

2 ?PLC控制軟件設計

根據(jù)機床結構以及功能要求，我們在利用系統(tǒng)分配的DB數(shù)據(jù)塊的基礎上開發(fā)針對GMC2230五面體龍門加工中心的PLC控制程序，為了使程序塊有較高的通用性，采用了局部變量進行編程，本機床的PLC控制程序的部分結構如圖4所示。

3 ?結束語

①新設備調試完成后，由于同時具備手動和自動轉換主軸頭的功能，操作者在實際使用中能夠非常方便的進行任意角度的刀具操作，有效的解決了目前復雜大型零件的加工，因此該功能的設計具有很好的應用價值。②該機床在設計中為了解決A/C軸松開/夾緊，轉位，采取了脈沖方式對電磁閥進行控制，達到了低油壓可靠放松A/C軸，文中所設計的液壓控制、系統(tǒng)功能控制與機械結構完美配合，提高了可靠性，有效防止了機械硬碰撞，保障了機械壽命。③SINUMERIK 840D SL中的Setpoint Exchange功能很好地提供了單軸進行多虛擬軸控制;HEAD_A、HEAD_C便捷實現(xiàn)了五軸頭自動角度快速定位;CYCLE800實現(xiàn)了任意角度的坐標系轉換。強大的系統(tǒng)功能，很好的實現(xiàn)了刀具旋轉后坐標系的轉換，簡化了操作者的難度，充分發(fā)揮了該類機床的加工性能。

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作者簡介：黃亞雙（1976-），女，云南昆明人，高級工程師，主要從事數(shù)控機床的電氣設計工作。