西门子840D SL在五面体龙门加工中心上的应用

摘要：西门子数控系统SINUMERIK 840D SL具有强大的控制性能，广泛适用于功能复杂的大型龙门数控机床。本文结合我公司生产的GMC2230五面体龙门加工中心，对五轴头控制部分进行介绍。重点描述了单伺服电机进行主轴（SP）、A轴及C轴的控制设计，参数设置及功能调试。

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.

关键词：五面体龙门加工中心;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

中图分类号：TG659                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0052-04

0  引言

目前，随着零件加工需求的不断提升，五面体龙门加工中心的需求不断增加，就针对五面体的加工而言，不需要进行五轴的插补加工，只需要在设计中将坐标系随着五轴头进行同步转换，本次设计选用了西门子SINUMERIK 840D SL数控系统，结合了其强大的系统控制功能和精密的伺服控制，使用基于Step7-300的PLC逻辑控制器进行程序设计，完美的实现了以上功能。

1  设计方案制定

由于箱体、复杂形面等大型零件都具有一次装夹，对多种孔系及各种斜面进行五面加工的特征，因此对机床的切削性能及系统功能要求很高，对主轴来说就要求具有大扭矩和多工艺性的性能，本机床的设计采用了ZF齿轮减速箱，及FM58系列强力万向五轴头，该设计涉及了机械、电气、液压等大量的工作，并且集成化程度都很高。

1.1 系统方案确定

1.1.1 机床硬件配置

机床型号：GMC2230五面体龙门加工中心

五轴头：FM58系列强力万向五轴头

主轴齿轮箱：ZF两档减速机

主轴最高转速：低档50-3000rpm，高档50-6000rpm

主轴功率：30kW

数控系统：SINUMERIK 840D SL

系统面板：MCP 483

伺服驱动：SINAMICS SL120

X轴电机：1FT6134

Y/Z轴电机：1FK7105

主轴电机：1PH8163

1.1.2 主机结构

①机床具有三个直线进给轴（X/Y/Z）、五面体强力铣削主轴、主轴电机通过1：1和1：4双速减速机与五面体铣削主轴联结。C轴控制范围-90～270°，A轴控制范围-110～110°。在设计中采用CYCLE800进行坐标系转换控制。

②机床配置的C轴和A轴具有独立的海德汉ROD486圆光栅作为旋转轴的角度反馈。其中C轴为1VPP8192線，A轴为1VPP1024线，因而增加2个SMC20编码器模块。

③主轴电机工作于三种状态：主轴SP、旋转轴C及旋转轴A，为实现该功能，增加“设定值切换”授权6FC5800-0AM05-0YB0和“附加1根进给轴/主轴”授权6FC5800-0AA00-0YB0。

④本机床要求同时具备在手动方式下对五轴头进行任意角度操作，因此，选用具备CYCLE800功能的SINUMERIK 840D SL数控系统。

1.2 控制系统完成的主要功能

SINUMERIK 840D SL具有Setpoint Exchange功能，可以实现使用一个伺服电机控制多个机床轴的需求，并且可以根据实际操作需求进行实轴与虚轴的切换，形成各轴独立的控制系统。

1.2.1 主轴关联参数设置

如图1所示整体传动中可以看到，主电机可工作于三种状态，当A轴和C轴处于锁定状态时，主电机工作于主轴模式，带动刀具旋转;当A轴处于松开状态，主电机工作于角度旋转轴A控制方式;当C轴处于松开状态，主电机工作于角度旋转轴C控制方式。

参数设定中，SP、A、C轴具有各自独立的控制参数，而在硬件控制上是共用一个主轴驱动及电机。

在基本参数和通道参数中必须设置为六个轴（X/Y/Z/SP/A/C），具体参数设置如表1及表2所示。

因A轴和C轴无独立控制模块，将A轴编码器挂载于X轴驱动模块上作为X轴的第二编码器，C轴编码器挂载于Z轴驱动模块上作为Z轴的第二编码器。

1.2.2 五轴头液压系统结构及控制要求

如图2所示，A/C轴具有独立的锁紧/放松液压控制回路。由于机械精度较高，各轴的锁紧/放松油压各不相同，为保障可靠工作，该液压系统具有：总压力、A轴锁紧压力、A轴放松压力、C轴锁紧压力、C轴放松压力等专用检测压力继电器。A/C轴同时具有状态到位检测开关。

1.2.3 五轴头的电气控制流程

在这次设计中，将机床轴数据区X/Y/Z/SP/A/C分别与DB31/ DB32/ DB33/ DB34/ DB35/ DB36数据块相对应。在设计中由于机械结构的限制，A/C轴转位控制必须是主轴处于低速档上才能进行，同时在控制A/C轴松开前必须进行定向操作，因此将A/C轴松开到位的信号作为Setpoint Exchange激活条件。

PLC程序严格按照图3的控制流程编写完成后，主轴、A轴、C轴的NC脉冲使能和转速控制器使能，将会根据实际操作来定义DB数据块对用的数值，从而达到自动切换控制轴的目的。

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对A/C轴进行快速定位。

在程序中需要对当前及完成后的A/C轴位置进行存储，以便在CYCLE800程序中正确进行坐标系变换。

下列程序以HEAD_A为例

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（"编程位置错误，A轴无转动！"）

N100 GOTOF _END

N110 ENDIF

N120 IF ProgPos==HEAD_A_CurPos

N130 MSG（"编程位置等于当前位置，A轴无转动！"）

N140 G4F0.2

N150 GOTOF _END

N160 ENDIF

M5

N170 M41 ;主轴低档

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轴放松

N220 G4F1

N230 HEAD_A_ProgPos=ProgPos-HEAD_A_CurPOS

N240 G01G91A=HEAD_A_ProgPos F1000

N250 MSG（"A轴夹紧"）

N260 STOPRE

N270 M20 ;A轴夹紧

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自动换刀控制

因机床配置五轴头，加工过程存在坐标系的转换，为了确保换刀的顺利进行，必需严格按照以下步骤要求来完成。

每一次换刀前，首先对主轴进行定向运行，使得五轴头内部齿轮处于可脱开位置。

通过CYCLE800对A/C轴进行换刀位置恢复，即A=0°，C=90°。

取消CYCLE800，坐标系还原与机床坐标系。

运行X/Y/Z轴到换刀点。

主轴执行第二次定向于换刀位置。

执行换刀动作。

主轴进行定向运行，使得五轴头内部齿轮处于可脱开位置。

通过CYCLE800对A/C轴进行换刀位置恢复，即A=0°，C=0°。

取消CYCLE800，坐标系还原与机床坐标系。

具体程序编写如下：

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（"*** 机械手上有刀具，不能运行程序。请取下机械手上的刀具 ***"）

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;刀臂旋转换刀

M81;紧刀

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（"**** 无换刀动作原因：编程刀具号 = 主轴刀具号 ****"）

N200 G04F0.5

N210 MSG（""）

N220 M17

N230 INFO2：MSG（"**** 无换刀动作原因：主轴上无刀 ****"）

N240 G04F0.5

N250 MSG（""）

N260 M17

2  PLC控制软件设计

根据机床结构以及功能要求，我们在利用系统分配的DB数据块的基礎上开发针对GMC2230五面体龙门加工中心的PLC控制程序，为了使程序块有较高的通用性，采用了局部变量进行编程，本机床的PLC控制程序的部分结构如图4所示。

3  结束语

①新设备调试完成后，由于同时具备手动和自动转换主轴头的功能，操作者在实际使用中能够非常方便的进行任意角度的刀具操作，有效的解决了目前复杂大型零件的加工，因此该功能的设计具有很好的应用价值。②该机床在设计中为了解决A/C轴松开/夹紧，转位，采取了脉冲方式对电磁阀进行控制，达到了低油压可靠放松A/C轴，文中所设计的液压控制、系统功能控制与机械结构完美配合，提高了可靠性，有效防止了机械硬碰撞，保障了机械寿命。③SINUMERIK 840D SL中的Setpoint Exchange功能很好地提供了单轴进行多虚拟轴控制;HEAD_A、HEAD_C便捷实现了五轴头自动角度快速定位;CYCLE800实现了任意角度的坐标系转换。强大的系统功能，很好的实现了刀具旋转后坐标系的转换，简化了操作者的难度，充分发挥了该类机床的加工性能。

参考文献：

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[2]李金强，王欲春，王勇斌.万向角铣头补偿参数测量、设置及验证[J].设备管理与维修，2018（009）：36-37.

[3]王其，于海勃，赵训茶，等.西门子数控系统在卧式加工中心改造中的应用[J].中国设备工程，2019（004）：81-82.

[4]卢佳.840D SL系统SETPOINT EXCHANGE功能的使用方法[J].机械工程师，2016，12（066）：159-160.

作者简介：黄亚双（1976-），女，云南昆明人，高级工程师，主要从事数控机床的电气设计工作。