上海乔特机电设备工程有限公司
摘 要:双操作站的设计;操作站双通道的切换设计;自动换刀功能,并且具有刀具任意位置安放、刀具使用次数/寿命监控及报警、自动选择替代刀具等功能;头架自动交换功能,并且角尺头架具有360度自动旋转角度功能。
关键词:SIEMENS840D 系统 OPI 总线 HMI 双控制模式 GANTRY 龙门轴 刀库 宏程序
1 引言
上海第一机床厂有限公司的德国KOLB立式双柱五面体加工中心:1992年国拨外汇引进项目,上海机床总公司和上海第一机床厂与联邦德国WERNER-KOLB 机床有限公司合作生产CUBIMAT IT(3000*1500)立式双柱五面体加工中心。该加工中心采用德国西门子850 数控系统,配有计算机控制,能实现人机对话,具有72把刀的刀库,并且有4种附件头架适应工件上不同方向、不同角度的加工面的加工,刀具及头架均能自动交换,能在一次装夹下完成五个面上的各种加工,如铣、镗、钻、攻丝、铰等工序,生产效率高,可大大缩短生产加工周期,是航天、国防、重机、机床、汽车等行业必不可少的重要设备。
近几年由于元器件老化,加工精度降低,设备故障率增高,备件价格昂贵且难以买到,另外机械手功能部件损坏,已无法实现刀具及头架自动交换。为了保证产品质量,提高工作效率,降低生产成本,决定改造其控制系统,恢复机床原有精度和功能。
2 机床的概况及控制要求
2.1 立式双柱五面体加工中心的概况
(1) 机床主要由龙门式加工中心、刀库、液压单元、气动单元和冷却液单元构成。加工中心本体主要由床身、工作台(3000*1500mm)、双立柱、横梁和主轴箱组成。刀库主要由机械手、3个刀具柜和1个头架柜组成。
(2)机床的原控制系统为西门子850数控系统,采用模拟交流伺服驱动。横梁采用同步板控制左右两轴驱动。
(3)机床主电机50KW,主轴扭矩2600NM,进给轴:X、Y、Z、W1、W2,刀库轴:V、Q、E1、E2、E3、U1、U2、U3、U4。
(4)机床人机对话控制站有二处,一处位于机床本体,一处位于刀库。
2.2 控制要求
(1)具备数控机床的各项基本功能
(2)横梁具有歪斜后自动修正功能。
(3)自动换刀功能,并且具有刀具任意位置安放、刀具使用次数/寿命监控及报警、自动选择替代刀具等功能。
(4)头架自动交换功能,并且角尺头架具有360度自动旋转角度功能。
(5)机床加工时刀库自动预选调整功能。
(6)机床刀库专有操作站,实现人机对话控制,管理刀库。
3 机床改造系统的配置
根据实际情况,我公司选择了德国西门子840D数控系统,它是德国西门子850数控系统的升级产品,同时也是目前西门子最高端的产品, 它具有以下的特点:
(1)中文操作界面具有中英文显示切换功能,并且具有完善的中文用户报警信息提示
(2)NC编程:运用用户变量、系统变量、间接编程、算术三角函数、比较或逻辑运算、程序跳转、程序调用、宏调用等给机床的使用带来了极大的自由度。
(3)利用Windows技术改变人机界面使操作界面适合于不同的控制任务。窗口式的设计使操作者可以对过程进行全面监控。 (4)SIMODRIVE 611 驱动可以实现进给轴驱动,闭环控制以及主轴控制等,该驱动适用于恶劣的工作环境,对灰尘、腐蚀性液体、冲击、振动及热冲击的抵抗力很强。
硬件配置:SIEMENS840D系统+1FT6伺服电机+1PH7主电机+611D驱动+双HMI+双MCP 软件选项:双通道,双控制模式,14进给轴+1主轴,GANTRY 龙门轴 系统配置图如下:
4 系统功能的设计
机床改造过程中方面主要有以下特点:
(1)双操作站的设计
西门子840D系统使用MPI/OPI开放式的结构,联接设备只要符合网路规则都可以便捷的使用。MPI/OPI网路规则要求,在总线的两终端MPI连接器要接入终端电阻,中间各个连接点断开终端电阻。在实际使用中我们都是使用OPI连接方式,因为MPI(187.5kbaud)的连接最大电缆长度为10米,而OPI(1.5Mbaud)的连接最大电缆长度为200米,超过各自规定的长度就需要使用信号重复器,OPI的优势显而易见。通过OPI网络可实现两侧操作站的信息互通,以及文件管理等功能。
硬件的连接:
1#HMI
的节点地址:1
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2# HMI
的节点地址:9
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1#MCP 的节点地址:6
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2# MCP
的节点地址:14
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(2)操作站双通道的切换设计{$PAGE}
根据机床结构和运行的需要,机床采用了双通道控制。根据机床双操作站,系统分为左右通道,通过利用操作面板HMI 上的空白未定义软键定义实现了左右通道切换显示。正常工作时:机床本地显示加工操作画面即第一通道,刀库本地显示刀库各轴操作画面即第二通道,各司其职,须查询异地操作站情况时可方便的通过软功能键进行切换,有利于监控和报警时的检查,根本无需两操作站的往返奔波。在双通道运行过程中运用通道等待指令实现了双通道协调工作。左右通道的运行状态通过“通道转换软键”进行选择监视,OPI的总线连接方式保证了数据的实时快速。
(3)横梁自动同步GANTRY龙门轴式功能
在较早的数控系统中,双轴同步都使用的轴同步比较板,依靠轴位置反馈信号进行硬件比较达到同步功能。此种方式因采用模拟电路,存在一定弊端,如:零飘、元件老化等问题。西门子840D系统提供gantry功能选项,通过系统模块间的611D总线通讯,软件计算来实现这一功能,无需额外的硬件电路,从而提高这一功能的可靠性,并且增加同步轴之间的误差监控报警。
W轴回零成功后,系统自动将W1轴与W2轴的位置反馈值通过611D总线由CNC进行比较计算,从而使双轴精确同步。编程时只允许使用W1轴名来编辑,使用W2时系统会提示报警,在屏幕上显示W1轴和W2轴坐标值。系统即可以让用户依据机械保护的允差值来自己定义误差极限TRIP范围,又可以让用户依据零件加工的允差值来自己定义误差报警范围,这些功能在较早数控系统中是不具备的。数控系统改造前原来的横梁歪斜现象频繁发生,改造后在实际运用中,用户反应无原来的横梁歪斜现象发生,可靠性高,稳定性好。
(4)自动换刀宏程序设计
刀库操作站可以自由的管理刀具库。刀库管理者可以根据制造商固化了的循环,控制机械手方便的从刀库正常刀位中抓取刀具至维修刀位,进行刀具的检查、维护及更换等工作,更可以方便的从刀库维修刀位中抓取刀具放至正常刀位。刀库中特定的环境规定了刀具的存放空间及存放规则,例如:长刀具必须放置于刀库的上排、刀盘两侧必须为空刀位才可放置、长刀盘必须得符合前面的两个条件才可放置、短刀具根据用户的选择决定是否可以放置于长刀位等等,根据专用的刀具号区域划分,使得固化循环可以精确的识别出刀具类型,分类存放。
自动换刀宏程
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CYCLE191
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指令维修刀位(seatnum)抓刀具
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刀库操作站
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CYCLE195
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unload 机械手放置刀具
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CYCLE196
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perselect 机械手预选刀具
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CYCLE202(N)
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指定刀具号,移刀具至维修位,n=刀具号
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刀库操作站
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CYCLE203(N)
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指定维修位内刀具号,移刀具至正常刀位 ,n=刀位号,刀库操作站
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CYCLE204(N)
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机械手上刀具放入刀库内,n=抓手号 1:E1 2:E2
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刀库操作站
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CYCLE205(N)
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指定头架号,机械手上头架移至刀库内,N=头架号
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加工操作站
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CYCLE206(N1,N2,N3,N4)刀库内到位刀具赋值,N1:刀位号 N2:刀具号
N3:使用次数 N4:代替刀 号,两地操作站均可执行
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TOOL(N)
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预选刀具,N:刀具号
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加工操作站
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CYCLE198
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M06 执行刀具交换
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加工操作站
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序
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CYCLE210
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垂直头架交换刀具
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加工操作站
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CYCLE211
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角尺头架交换刀具
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加工操作站
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CYCLE212
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角尺头架交换刀具
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加工操作站
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CYCLE220
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垂直头架交换刀具
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刀库操作站
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CYCLE221
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角尺头架交换刀具
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刀库操作站
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CYCLE222
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角尺头架交换刀具
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刀库操作站
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(5)头架自动交换宏程序设计
为用户固化了的循环,可以方便的执行头架抓取和头架分度,并且在程序中加入了各种辨别方式及提示信息,自动判别头架号是否合法,自动判别头架角度值语法合法和是否可以到达,编程错误时自动提示相关信息。
头
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CYCLE200(N)
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头架交换,N:头架号
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加工操作站
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架
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CYCLE224
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机械手执行头架交换
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刀库操作站
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宏
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CYCLE201(N)
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角尺头架分度,N:角度数(2.5度的整数倍数),加工操作站
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程序
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CYCLE207
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角尺头架旋转坐标系矫正
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加工操作站,由G16 指令调用
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结束语
五面体加工中心改造后具有如下的功能:
5.1
双操作界面(HMI),可以方便的进行两地程序编辑/管理,第二操作界面更提供便捷的刀库管理
5.2
机床控制面板(MCP),既可以两地同步控制方式又可异步控制方式,刀库管理的同时丝毫不影响机床的加工工作
5.3 第一通道机床加工时,根据指令第二通道刀库提前预选刀具,缩短非加工时间,提高工作效率
5.4 刀库一键回零,方便实用
5.5
刀库/附件,列表形式提供查询,刀库数据口令等级式管理,分工明确,不会因不同用户的使用而造成混乱
5.6 刀库内长短刀具自动分类存放,并且每一把刀具均可设置使用次数,可设置替代刀具号,同时刀具使用次数等于壹时自动信息提示,刀具使用次数等于零时,自动将刀具放置于维修刀位中,自动选择使用替代刀具
5.7 换刀程序参数式调用,方便易用,文件口令等级式管理
5.8
在第二操作界面,既可以方便的移出刀具至维修刀位中进行检查及维修,又可以方便的从维修刀位中移出刀具至正常刀位,这些工作全部可以通过调用专用的程序来自动完成
5.9 附件铣头架的自动更换,及其偏置补偿,极大地减轻工作强度,同时保证了头架机械部分的重复精度
5.10
角尺头架自动分度功能,真正实现五面体加工
5.11
刀库程序执行每一处中断都带有提示信息,简单易查
5.12
详细的机床控制报警文本
5.13
机床横梁使用GANTRY龙门轴式功能,实现横梁两侧可靠的高精度同步定位运动
5.14
主轴定位功能,以及刚性攻丝
5.15
机床加工可以全部调用SIEMENS840D 内部集成的钻、铣、镗标准循环
5.16
机床螺距补偿,提供更高的位置精度
KOLB 立式双柱五面体加工中心改造完成后,机床各个轴的定位精度、重复定位精度及反向间隙指标均达到新机床的出厂标准,加工操作简单,程序存储量大,故障率降低。所加工的产品各项指标均优于原来的指标,并且有效提高产品的生产效率,得到了上海第一机床厂的一致认可和高度评价。
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