武漢中控南方科技有限公司  胡國清
 
內(nèi)容提要：文章針對多軸多通道數(shù)控機床，以1臺16軸五面體龍門加工中心的改造為例，敘述了同類機床應(yīng)用SINUMERIK 840D系統(tǒng)常用功能的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括多通道設(shè)置、9軸以上的FC19修改、HHU應(yīng)用、MMC自定義畫面制作以及刀庫程序的開發(fā)等。
關(guān)鍵詞： 840D 多軸 多通道 MCP程序修改  HHU應(yīng)用  MMC畫面制作 刀庫程序設(shè)計
 

Function development & application in SIEMENS 840D

on Multi-axis & Multi-channel NC machine
HU Guoqing
（Wuhan ZoControl South Science & Technology Co.,Ltd.，Wuhan 430070，CHN）
Abstract：In allusion to multi-axis & multi-channel NC machine，starting from an example of one 16-axis CNC maching centre，normal function devolopment and application in SIEMENS SINUMERIK 840D on the congener machine are described. Such as multi-channel setting，modification of FC19 more than nine axis，application of HHU，user-defined HMI exploitation，application program devolopment of tool magazine,etc..
Keywords：840D；Multi-axis；Multi-channel；Modification of MCP program；Application of HHU；User-defined HMI exploitation；Application program devolopment of tool magazine.
 
對于數(shù)控軸較多的機床，在設(shè)計與開發(fā)中需充分考慮系統(tǒng)軟硬件特性，避免設(shè)計與調(diào)試過程的反復(fù)，從而給項目的實施帶來影響。筆者以1臺KOLB 16軸CNC五面體龍門加工中心應(yīng)用SIEMENS SINUMERIK 840D和SIMODRIVE 611D改造實施過程中常用功能的應(yīng)用開發(fā)與應(yīng)用為例，同行交流，不對之處敬請指正。
本文所述的內(nèi)容包括：硬件組態(tài)、多通道及雙方式組參數(shù)設(shè)置、多軸MCP功能塊程序的修改、多軸HHU操作功能的實現(xiàn)、MMC自定義功能畫面制作、刀庫程序的編制。
 
1 硬件組態(tài)
1．1 NCU及其啟動軟件
SIEMENS 840D的NCU包括有561.2、571. 2／3、572. 3／4和573. 3／4，由其硬件特性可知分別支持2軸、6軸、31軸和31軸，對于16軸系統(tǒng)來說應(yīng)選572.3以上的NCU。
NCU啟動軟件常用的有4類，分別支持2／6／12／31軸，所以選型型號應(yīng)為6FC5250-*AX(或Y)30-*AA*。由于SIEMENS的NCU啟動軟件5.X及以前版本的啟動軟件是與硬件有關(guān)的，注意軟件與PC卡及NCU的配套，自6.0以后版本的啟動軟件可靈活運用。
1．2 PLC硬件組態(tài)
由于I/O點較多，又因為NCU內(nèi)置的IM360最多只能擴展3個S7-300機架，有可能不夠用，此時可以設(shè)計1個或幾個（最多31個）ET200遠程站，應(yīng)用PROFIBUS DP總線連接至NCU的X102接口。
1．3 數(shù)控系統(tǒng)組態(tài)
仔細計算每個機架的功率分配，選擇合適的電源模塊；對于功率較小的軸應(yīng)選用雙軸模塊以節(jié)約空間，連接雙軸模塊時應(yīng)注意信號線與電源線的位置匹配；如果一個機架中模塊數(shù)量太多應(yīng)增加監(jiān)控模塊，另外需注意驅(qū)動總線與數(shù)據(jù)總線的連接。
因驅(qū)動模塊較多，應(yīng)仔細計算電源模塊與驅(qū)動功率模塊以及電抗器等的散熱，從而選擇相應(yīng)容量的空調(diào)設(shè)備。
 
2 多通道及雙方式組參數(shù)設(shè)置
2．1 特殊功能的激活
SIEMENS 840D的一些非標準配置功能均需要激活，否則就不能使用，通用MD19000以后的參數(shù)分別對應(yīng)于它的一些特殊功能。
2．2 通道軸的設(shè)置
多通道功能激活后，首先設(shè)置1通道的軸，然后可以通過切換通道設(shè)置2通道的軸，通常將加工軸放在1通道，刀庫軸放在2通道。
取軸名時應(yīng)注意SIEMENS的相關(guān)規(guī)定，否則會造成報警和參數(shù)配置失敗。
配置軸驅(qū)動參數(shù)時，應(yīng)注意軸的物理順序和軟件順序的協(xié)調(diào)一致，若有雙軸模塊只用一個通道時應(yīng)設(shè)置另一個通道為非活動軸。
2．3 雙方式組的設(shè)置
當機床具有兩個MCP，且使用要求需要設(shè)置兩個方式組時，可以將不同的通道定義到不同的方式組。
除設(shè)置功能激活參數(shù)外，還應(yīng)對機床通用參數(shù)相應(yīng)的數(shù)值進行設(shè)置。
設(shè)置成雙方式組后，在主程序中DB19／DB21／DB22的接口信號處理和調(diào)用FC19時相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置要一致。
 
3  MCP功能塊程序的修改
SIEMENS 8x0D Toolbox 為制造商提供了較好的開發(fā)工具，其中包括MCP應(yīng)用功能塊程序FC19，使用STL編制，通常直接在OB1中調(diào)用即可。
但FC19標準程序只支持9個軸的操作，如果機床的軸多于9個，而且你希望直接通過MCP選軸進行JOG等模式下操作，則需要對FC19進行修改。
SIEMENS特意沒有對FC19進行加密保護，這也為制造商提供了修改FC19來適應(yīng)設(shè)計與應(yīng)用需要的可能性。
3．1  FC19結(jié)構(gòu)說明
    FC19的關(guān)系數(shù)據(jù)塊是DB7，程序首先將調(diào)用參數(shù)傳遞到內(nèi)存中，傳送保存MCP輸入輸出地址到五個數(shù)組，處理INC值和倍率、取當前軸號，處理選軸輸入輸出及其鏈接信號，然后處理方式組信號。
3．2 程序修改方法
從選軸程序段著手，修改原來只讀9個軸的輸入輸出狀態(tài)為16個軸，對隨后的軸信號處理分支程序進行修改，增加10－16軸信號狀態(tài)的處理即可。
修改程序前應(yīng)確定使用哪幾個自定義鍵來作為10－16軸的操作鍵，并查出對應(yīng)的I/O的數(shù)組地址，修改時應(yīng)注意對上一次被選軸號的保存和上下程序段的銜接。
相應(yīng)的DB塊也需要作一些修改，以適應(yīng)數(shù)據(jù)的一致性。
3．3 多通道多方式組機床FC19的調(diào)用
對于雙通道系統(tǒng)，應(yīng)調(diào)用FC19兩次，并分別給以調(diào)用條件。下面就是一個雙通道單方式組的FC19調(diào)用程序（程序中FC118即是修改后的FC19，調(diào)用參數(shù)不變）
      L     DB19.DBB   22
      T     MW    90
      SET  
      SAVE 
      CLR  
      A     BR
      =     L     20.0
      A     L     20.0
      A(   
      L     MW    90
      L     1
      <=I  
      )    
      JNB   _001
      CALL  FC   118
       BAGNo      :=B#16#1
       ChanNo     :=B#16#1
       SpindleIFNo:=B#16#6
       FeedHold   :=DB21.DBX6.0
       SpindleHold:=DB36.DBX4.3
_001:  A     L     20.0
      A(   
      L     MW    90
      L     2
      ==I  
      )    
      JNB   _002
      CALL  FC   118
       BAGNo      :=B#16#1
       ChanNo     :=B#16#2
       SpindleIFNo:=B#16#0
       FeedHold   :=DB22.DBX6.0
       SpindleHold:=M92.0
_002: NOP   0
有一點需要說明，從上面的程序可看出通道1調(diào)用時采用比較指令為<=I，也就是說當MW90=0時也調(diào)用通道1，這是因為調(diào)試中發(fā)現(xiàn)840D系統(tǒng)剛啟動且未操作過通道切換鍵時DB19.DBB22＝0，此時若按常規(guī)使用＝＝I指令則會造成開機無通道激活的問題。
3．4 相關(guān)問題
如果你對FC19現(xiàn)有程序控制的操作方法不滿意，或者有一個自制MCP需與原裝MCP之間進行操作方式切換、點動功能鍵的互相屏蔽等，也可以通過對FC19的相關(guān)部分進行修改來達到目的。
 
4 多軸HHU操作功能的實現(xiàn)
HHU是數(shù)控機床的常用操作設(shè)備，掌握它的應(yīng)用是制造商的基本要求，SIEMENS為此在Toolbox中提供了相應(yīng)的文檔。下面就以Ver6.3版為例說明如何實現(xiàn)HHU操作多軸機床。
4．1 FC68＆DB68的生成
(1)     打開toolbox6.3中Handheldunit.zip釋放到一個目錄中（如\HHU）
(2)     在Step 7中建立一個新Project，打開GP8x0d63庫，將所有文件Copy到新Project中。
(3)     在新Project中Source夾下，用insert external source打開\HHU目錄下所有.AWL文件。
(4)     由于該源文件是德文版的，所有應(yīng)在項目管理器的Option－Customize－Language下將當前語言改為德文，并重新啟動。
(5)     在新建項目Symbol Editor中增加“—DB” DB68  DB68條目。
(6)     先編譯HHU2_db68，生成DB68文件。
(7)     再編譯HHU2_fc68，生成FC68文件。
(8)     若有兩個MCP，則用同樣方法生成FC119或FC124即可。
(9)     在新建項目Symbol Editor中增加“BHG_stv” FC68  FC68條目。
4．2 FC68的調(diào)用
    一個典型的FC68調(diào)用程序：
      L     DB19.DBB    8
      OW    W#16#0
      JN    M002
      L     1
      T     DB19.DBB    8
M002: CALL  "BHG_stv"
       BHG_on_condition:=M50.2
       BHG_stop        :=M50.1
       HW_to_mmc       :=TRUE
       inch            :=DB10.DBX107.7
       BHG_activ       :=DB2.DBX187.7
       chan_nr         :=DB19.DBB8
BAG_nr          :=MB181
下面對其調(diào)用參數(shù)進行說明：
BHG_ON_condition——它可以使HHU處于不可激活狀態(tài)。
BHG_stop——若為“1”，則HHU被停止激活并可以拔下來。
HW_to_mmc——相當于FB1中的HWheelMMC參數(shù)。若為“1”，則第一個手輪可以通過MMC來激活。
Inch——對應(yīng)DB10.DBX107.7，若為“1”，則實際位置顯示為英制。
Chan_nr——選擇的通道號。
BAG_nr——方式組號（在DB68中設(shè)定的）
4．3 操作方法及相關(guān)說明
使用DB68&FC68激活HHU后，就可以通過其鑰匙開關(guān)來開啟／關(guān)閉HHU了。
操作說明：
(1)     方式選擇：使用INC/handw.按鈕可以切換到INC模式，使用JOG和AUTO可以切換到點動與自動模式
(2)     幾何軸的選擇：直接使用X/Y/Z按鈕即可。
(3)     其它軸的選擇：使用“4”鍵可以激活選軸的子菜單，然后通過“JOG”、“KT1”、“KT2”和“FeedStop”、“＋”、“KT3”鍵選擇上下兩行相應(yīng)的軸。如果軸數(shù)超過6個，則使用“～”鍵進入下面6軸的選擇子菜單，以此例推。
(4)     通道切換：使用“＋”、“－”鍵直接切換。相應(yīng)的通道名和方式組就隨著改變。
(5)     報警復(fù)位：當報警出現(xiàn)時，“～”鍵就相當于Reset按鈕。
可以通過對DB68的修改來制定HHU開機狀態(tài)的顯示文本，文本長度不超過32；也可以修改軸操作狀態(tài)及位置顯示格式，文本長度不超過16。這樣可以使用戶界面更加友好。
   
5  MMC自定義功能畫面的實現(xiàn)
隨著MMC的不斷升級，其性能在處理速度、數(shù)據(jù)存儲、顯示、通訊、接口等方面不斷增強，常規(guī)的操作系統(tǒng)從Windows 95／NT 4.0到Windows XP，并開始支持以太網(wǎng)和USB，為使用和開發(fā)帶來了很大的方便。
制作動態(tài)友好實用的HMI畫面可以使用戶更好地掌握機床的狀態(tài)，并可以通過制作系統(tǒng)故障監(jiān)控畫面來縮短故障排除時間，提高機床運行效率。
下面就以PCU50為例說明其自定義功能畫面的實現(xiàn)。
由于文件數(shù)據(jù)交換量較大，可以使用交叉電纜將PCU50與編程器連成一個網(wǎng)絡(luò)，速度可達到100Mbps。
5．1 開關(guān)機畫面
根據(jù)顯示器的分辨率和顏色位數(shù)使用圖像處理軟件制作好開關(guān)機畫面文件，然后使用工具軟件轉(zhuǎn)換圖像格式為BMP。
送PCU50電源，選擇菜單進入操作系統(tǒng)平臺，拷貝做好的文件至一個自定義目錄中，然后修改開關(guān)機畫面文件名為自定義文件名即可。
5．2  EasyMask Ver6.30功能
    EasyMask是一種可以嵌入到MMC軟件系統(tǒng)的用戶界面開發(fā)軟件，使用方法簡單，但因為不是可視化面對面開發(fā)，制作界面時往往費時較多。
(1)     通用功能：激活PLC信號、設(shè)定給定值，同一臺MMC中可以最多安裝3套EasyMask，每套可制定最多24個人機對話界面，支持MS Windows NT／XP操作系統(tǒng)。
(2)     靜態(tài)元素：直線、文本、靜態(tài)圖像（支持BMP、WMF、ICO格式）、支持靜態(tài)圖標按鈕、對應(yīng)PLC相應(yīng)位的軟按鈕。
(3)     動態(tài)元素：棒圖（3種動態(tài)顏色）、動態(tài)圖像（根據(jù)相應(yīng)值改變的圖像）、輸入輸出域、背景色動態(tài)顯示、動態(tài)文本。
5．3 使用EasyMask制作畫面
將EasyMask安裝到C:\ADD_ON目錄下，在提示輸入軟按鈕位置時可以修改默認值7為9、10或其它空余的位置，提示按鈕提示文本時根據(jù)需要修改，對于界面已經(jīng)漢化的MMC來說，如果希望顯示中文提示文本，則此項修改無效，需到相應(yīng)的INI文件中手工寫入相應(yīng)的命令。
在做好了所有準備工作后，就可以開始制作畫面了：
(1)       先在EM.INI文件中確定AUTO_MOVE變量的值（TRUE表示輸入框之間通過回車鍵來移動），增加［TEXT_CH］子項，對應(yīng)于漢化版界面變量，在相應(yīng)的位置輸入軟按鈕的中文名稱
(2)       然后打開相應(yīng)的.TXT和.INI文件，使用各種繪圖指令布置靜態(tài)與動態(tài)元素，對于背景較復(fù)雜的畫面，建議使用專業(yè)的繪圖軟件和圖像處理軟件事先制作好指定格式的圖像文件，然后嵌入到畫面的相應(yīng)位置。對于關(guān)聯(lián)PLC或NCU變量的動態(tài)元素，應(yīng)注意其格式與PLC和NCU內(nèi)部定義類型的一致性。
 
6 刀庫程序的編制
對于數(shù)控機床來說，刀庫的動作控制可以使用PLC程序編寫，也可以使用NC子程序與PLC相結(jié)合來實現(xiàn)。對于鏈式刀庫和轉(zhuǎn)塔刀庫來說，使用第一種方法較為方便，對于刀庫軸較多的機床來說，使用第二種方法往往達到事半功倍的效果。
6．1 用PLC程序?qū)崿F(xiàn)隨機存取刀具
    下面將隨機存取刀具的編程思路簡述如下：
(1)         先建立一個DB塊，在DB中定義一個結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)類型均為INT，數(shù)據(jù)數(shù)量為刀庫中刀座數(shù)量＋1（即將主軸刀座作為刀庫的一部分），根據(jù)用戶刀具編號和預(yù)擺放順序?qū)⒌毒咛柗謩e輸入到各數(shù)據(jù)單元作為其數(shù)據(jù)值。
(2)         在DB塊定義的刀座結(jié)構(gòu)后定義3個數(shù)據(jù)類型INT的單元，分別存放刀具總數(shù)量、當前需更換的目標刀具號、當前刀庫定位處的刀具號。
(3)         程序控制：若當前刀庫定位處的刀具號＝目標刀具號，則刀庫停止運動；若主軸刀座中的刀具號＝目標刀具號，則換刀結(jié)束。
(4)         采集一個刀座移動的上升沿信號，每走一步即根據(jù)刀庫刀具號順序刷新當前刀庫定位處的刀具號，然后將定位處的刀具號與目標刀具號比較，直到二者相等。
(5)         M06對應(yīng)的PLC換刀動作完成后，在DB塊中將剛找到的目標刀具的刀座數(shù)據(jù)值與主軸刀座刀具號值相交換，使DB中的刀座結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)值始終跟蹤當前刀庫中的刀具擺放順序。
(6)         在MMC中用EasyMask作一個監(jiān)控畫面，實時顯示DB中刀座結(jié)構(gòu)的各數(shù)據(jù)值，以便于用戶隨時查詢刀具擺放狀況以及在必要時調(diào)整擺放順序。
2．6．2 用NC程序與PLC相結(jié)合存取刀具
如果刀庫軸較多，則使用上述的方法編程換刀程序，會造成PLC與NC之間的數(shù)據(jù)交換很多，程序繁瑣且可讀性不好，此時可考慮將刀庫定位及機械手的動作過程用NC子程序編寫，將動作連鎖程序用PLC編寫，二者通過M06指令連接。
(1)         先定義一個二維數(shù)組，數(shù)組的行數(shù)等于刀庫刀具的數(shù)量，列數(shù)等于相關(guān)動作的數(shù)控軸的數(shù)量。將測量好的各定位數(shù)據(jù)分別賦值到各數(shù)組單元。
(2)         編寫一個帶參數(shù)傳遞的子程序，INT參數(shù)就是要換的刀具號。根據(jù)調(diào)用的參數(shù)值動態(tài)定位各相應(yīng)軸的位置。
(3)         機械手抓取刀具停止在等待換刀位，然后根據(jù)主軸原刀具號對應(yīng)數(shù)組的各軸位置值重新定位各相應(yīng)刀庫軸的位置，等待舊刀還原。
(4)         當換刀的準備工作完成后，即可停止主軸，定位滑枕到換刀位。
(5)         待機械手將新刀與主軸原刀具交換后，繼續(xù)完成舊刀還原動作。最終機械手停止在等待換刀位。一個換刀動作過程完成。
對于這類機床，通常刀庫軸在第二通道，主加工軸在第一通道，關(guān)于NC程序編寫有兩點需要說明：
(1)         常規(guī)時第一通道的NC程序只能使用第一通道的數(shù)控軸，第二通道的NC程序只能使用第二通道的數(shù)控軸，要想將所有的數(shù)控軸結(jié)合在一個程序中編程，則需要使用一些通道程序運行協(xié)調(diào)指令。
(2)         子程序若直接存放在子程序庫中，則用戶程序中的首行必須對需調(diào)用的子程序進行類型聲明。
 
7  結(jié)語
多軸多通道數(shù)控機床設(shè)計與調(diào)試過程中遇到的工作還很多，常見的有手輪操作權(quán)限的轉(zhuǎn)移與相互屏蔽、同步軸功能實現(xiàn)及其精度調(diào)整、自行編寫MCP程序、附件頭自動識別技術(shù)等。限于篇幅，文中所述未能詳盡之處歡迎同行聯(lián)系以進一步相互溝通。