自制机床部件模拟器

邴 旭 徐兆成 李 焱 刘春时

(沈阳机床(集团)有限责任公司，辽宁 沈阳110142)

1 自制机床部件模拟器的意义

针对我国大多数机床制造企业，对于一些复杂的功能部件如刀库、数控刀架、摆头等长期依靠进口和外购的现状，国家拨出了专项资金帮助机床企业自主研发重要功能部件。然而，在样件的试制和测试过程中，经常会出现由于调试人员对样件的性能不够了解，或是由于PLC控制程序的开发软件没有仿真环境，又或是即使有仿真环境，但是不能很好地仿真硬件的实际状态，而造成PLC程序存在一些问题，致使机床部件在实际运行时会发生故障甚至造成不可修复的损坏。

由于机床部件的千差万别，我们不可能制作出通用的硬件模拟器。在这种情况下，就需要我们自己的设计人员根据每类机床的实际情况，在计算机上研发出“软”机床部件模拟器，这样可以在程序开发阶段就找出程序的错误所在，进而提高调试效率、节省调试时间。自制机床部件模拟器最大的益处在于能够最大可能地避免由于程序设计不当而造成的事故，既能节约时间，也能节约维修成本。

2 机床部件模拟器的开发环境

在计算机上开发部件模拟器，要使用一些开发软件和硬件设备。如下列出了机床部件模拟器的开发环境:

(1)开发部件模拟器的硬件要求

西门子840D NCU，ET200S输入输出模块，PCU50或普通计算机(需另配MPI通讯网卡)，MPI通讯电缆若干米以及信号电缆若干米。

(2)开发部件模拟器的软件要求

西门子组态软件WinCC Flexible 2005(要包含组态数控系统用的SINUMERIK配置包)和西门子PLC编程软件Step7。

3 机床部件模拟器的开发原则

(1)模拟器界面上的输入输出信号要严格按照实际部件的信号进行设置。

(2)模拟器要有通用性，要留有固定的、通用的软硬件接口，使不同的设计人员都能够使用。

(3)模拟器要有易操作性，要使其几乎不需人为干预就能模拟实际部件的运行，让使用者只要修改很少的PLC程序，就可以操作模拟器来验证自己编写的程序。

(4)部件模拟器开发完之后，要经过多次调试验证，直到没有任何错误之后才可以投入使用。

4 机床部件模拟器的开发过程

现针对工作中出问题最多的、调试时间最长的刀库开发一款模拟器，开发过程说明如下。

(1)绘制刀库模型

首先，在WinCC Flexible的设计窗口中绘制刀库的仿真模型。为了保证模拟器的可靠性，对刀库的仿真绘图就必须要保证其准确性。如果能得到刀库的三维模型，可以直接将其转换成图片格式，再放到WinCC Flexible的设计窗口中;如果没有三维模型，就应该严格按照刀库的实际尺寸，按照一定的比例缩小后简化绘制刀库的模型。如图1所示为某型号刀库的简化模型。

(2)配置与NCU的通讯连接

首先在WinCC Flexible的连接配置窗口中添加连接，如果是访问 PLC变量，需要添加SINUMERIK PLC连接;如果还要访问NC变量，则还需要添加SINUMERIK NC连接。添加连接之后，还要在变量配置窗口中添加所开发刀库模拟器所需要访问的 PLC变量、NC变量以及WinCC Flexible界面程序的内部变量。

(3)添加命令按钮和显示文本

为了控制仿真器的运行，应根据需要在设计窗口中添加控制和显示用的控件，常用的控件有IO域、按钮、文本框等。

(4)编写刀库的动作脚本

为了真实地模仿刀库的动作，让刀库模型“动”起来，必须给刀库模型编写动作脚本。脚本语言可以根据设计人员的实际情况采用VB脚本语言或者是C脚本语言。例如，下面的VB脚本代码可以实现盘式刀库的正转和反转动作的模拟。

(5)为控件关联变量、定义事件

为了让界面中具有显示和控制功能的控件能够实时显示刀库的运行状态并控制刀库的运行，我们需要为控件关联PLC变量和NC变量或定义事件触发的函数和脚本。例如，在IO域的general选项中，设置tag属性为所要显示的变量，即可在界面运行时实时显示该变量的值。又如在按钮控件的事件选项中，可为需要的鼠标和键盘等事件配置所要触发的系统函数或者脚本，这样按下按钮后即可运行相关联的函数或者脚本来执行模拟器的动作。

(6)设置报警

预先在WinCC Flexible的报警管理器中根据连锁条件设置报警，一旦刀库模拟器在未满足连锁条件就运行时，能够及时发出报警，这样调试人员就可以根据报警立刻知道问题所在，并修改PLC控制程序，消除考虑不周全的情况。

(7)编写PLC接口程序

由于使用WinCC Flexible开发的刀库模拟器要用到PLC中的一些中间变量作为接口信号作为刀库运行过程中的各状态信号，来演示刀库部分PLC程序的运行效果，故还需用Step7编写很少量的处理接口变量的PLC程序。程序很简单，就是对接口变量进行赋值和清零操作。

5 机床部件模拟器的应用效果

使用部件模拟器，通过I/O连接的方式与实际机床的I/O模块相连接，从而给机床PLC模拟反馈部件的电气信号，来验证机床PLC程序或NC程序的正确性。本文中作为开发示例的刀库模拟器，已经在多款数控机床上使用。对于西门子系统的PLC程序，可以直接应用模拟器进行调试;而对于其他不同品牌和型号系统的PLC程序，可以把该系统的刀库相关的数字输出信号传送给西门子系统上的数字输入模块，把数字输入信号传送给西门子系统的数字输出模块，再经过西门子PLC接口程序处理后即可进行仿真调试。刀库模拟器运行时的截图如图2所示。

实践证明，应用WinCC Flexible开发的机床部件模拟器有如下优点:

(1)开发模拟器只需利用现有的设备，而不需增加额外的开发成本。

(2)使用模拟器验证机床PLC程序及NC程序时，不用连接实际的机床部件，如果程序有误或人为操作失误不会损坏机床部件，从而避免了由于调试故障造成部件损坏而带来不必要的费用。

(3)使用模拟器，可以预先对所能想到的故障情况设置报警，这样便能够在程序开发阶段尽早发现程序中存在的错误，进而能够大大提高调试效率和PLC程序的可靠性。

综上所述，自制机床部件模拟器，只需少量的投入就能够达到节约时间成本和维修成本的目的。因此有理由相信，自制的机床部件模拟器将会有广阔的应用前景。