基于自動上下料工作站的西門子數控系統二次開發
2018-3-26 來源：四川信息職業技術學院 作者：熊雋
摘要:為滿足“工業4. 0”中“智能上廠”的需求，數控機床必須與機器人、機械手等設備配合，實現自動化、無人化生產。這就需要對數控系統進行二次開發，使其“能說話、能思考”。根據實踐經驗，以西門子828 D數系統為例，講解數控系統二次開發的內容及方法，包括:二次開發的步驟、I/0口和數控系統上作流程設計、控制指令開發、控制按鈕開發、電氣結構設計等。
關鍵詞:工業4.0; 數控系統; 二次開發
“工業4. 0”是制造業迎來的第4次工業革命，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志。“工業4. 0”的最終目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，包含的三大主題分別是:智能工廠、智能生產和智能物流。自動化工廠將工業機器人、無人運輸車、自動化立體倉庫等設備應用于加工過程，是實現智能工廠的重要環節，也得到了廣泛的應用。
目前，隨著國內外數控系統在柔性、可靠性和開放性等方面的飛速發展，許多理論和技術問題得到了較好的解決，數控機床可開發成為智能機床，滿足用戶的個性化需求。文中以Siemens數控機床為例，對828 D數控系統進行二次開發，使其“能說話、能思考”，與機器人、機械手等設備配合，實現自動化生產，達到低成本、高效率的效果。
1、數控系統二次開發要求
要實現機床自動化生產，須采用機器人或機械手進行自動上下料。為保證機器人或機械手在數控機床加工時能配合默契，及時、準確無誤地上下料，不與機床發生干涉，機床就必須做到以下幾點:
(1) 實現機床與外部設備通信。
(2) 機床配置自動卡盤和自動防護門。
(3) 為加工時能很好地控制機床，必須開發必要的輔助加工指令。
(4) 為了手動狀態下也能控制機床，需添加防護門開關、卡盤松緊等按鈕。
2、西門子828 D數控系統簡介及二次開發內容
2. 1 西門子828 D數控系統簡介
828 D是一款緊湊型數控系統，支持車、銑工藝應用，能滿足不同安裝形式和不同性能要求的需要。完全獨立的車削和銑削應用系統軟件，可以盡可能多地預先設定機床功能，從而最大限度減少機床調試所需時間，比想象的還容易。它集CNC, PLC操作界面以及軸控制功能于一體，通過Drive-CLiQ總線與全數字驅動的SINAMICS 51200PLC實現高速可靠通信，且PLC的I/0模塊通過PROFINET連接，可自動識別，無需額外配置。
2. 2 西門子828 D數控系統二次開發內容及步驟
數控系統的二次開發就是針對PLC軟件的開發。828 D數控系統的PLC控制程序包含有一個主程序和多個子程序。可根據自身需求，像搭積木一樣，將新開發出的控制子程序在主程序中進行調用，達到自動生產的需求。具體操作內容及步驟為:
(1) PLC控制程序的導出
即將機床原有的PLC控制程序導出。828 D數控系統可利用機床界面的【調試存檔】功能將機床的PLC程序導出，存儲到用戶接口所連接的外存儲器(如USB, CF卡等)中。導出程序類型為"*.ARD"
(2) PLC控制程序的開發
828 D數控系統采用機床內置的SINAMICS 51200PLC進行控制。從機床中導出的PLC控制程序，可利用“PLC Programming Tool”軟件導入。經過新建子程序，并在主程序中進行調用，達到控制需求。程序開發完成后，必須使用軟件的【導出】功能，導出后綴名為“.ARD”的程序。
(3) 根據控制需求，進行電氣結構設計與安裝。
(4) PLC控制程序的導入及調試。
將開發好的PLC控制程序，通過用戶接口所連接的外存儲器，使用【載入調試存檔】功能導入到數控系統中，并可通過【調試】功能，進行PLC程序的在線調試。
3、西門子828 D數控系統二次開發的具體方法
為方便講解，下面以最為典型的828 D數控車削系統配合機器人上下料為例，講解數控系統二次開發的具體方法。
3. 1 I/0口和控制指令設計
3. 1. 1 PLC的I/0口設計
為滿足通信要求，在PLC己用I/0通信接口的基礎上，新設定與卡盤、機床防護門、機器人通信的I/0口，如表1所示。
3. 1. 2 控制指令設計
要實現自動生產，數控系統必須開發必要的輔助加工指令，使機床在程序自動運行過程中能實現防護門自動開關、卡盤自動夾緊和松開、及時通知機器人上下料等。在己使用的M指令(如M03 , M04等)的基礎上，開發新M指令，如表2所示。
3. 2 數控系統土作流程
利用上節設計的I/0通信口和M指令，設計數控系統工作流程如圖1(a)所示，并編寫相應的機床加工程序，如圖1(b)所示。
圖1 數控系統上作流程圖
3. 3 機床M指令的開發
西門子828 D數控系統加工程序中的M指令，譯碼以后由NCK送給PLC，從MO一M99，每個M指令譯碼后占用V區的一位地址，不同M指令對應的V區地址如表3所示。如M80對應的地址為DB2500.DBX1010. 0 0當機床程序中出現M80指令時，CNC對加工程序進行譯碼，DB2500. DBX1000. 3內信號為1。要實現M指令所設計的功能，就要利用該信號，并通過PLC程序進行控制。如:開發M80指令編寫的PLC控制程序如圖2、圖3所示。
圖2 促發M50. 5的PLC控制程序
圖3 M80指令的PLC控制程序
首先，M80指令只在機床的自動運行模式和M DA模式下才能生效。根據表4可查出，來自NCK的系統力一式有效信號為DB3100。而該字節有8位(BitO } Bit7) , 0位(用DBXO. 0)即為自動運行模式“自動AUTO"。因此，自動運行模式的信號地址為"DB3100. DBXO. 0"，當淚L床處于自動運行模式時DB3100. DBXO. 0為1。同理，處于MDA模式時DB3100. DBXO. 1為to兩信號的并聯輸出信號M50. 5，即為M80指令可執行的基本條件。
圖4 PLC輸出接口連接圖
圖5 卡盤氣缸的控制電氣原理圖
當M50. 5和M80指令信號(DB2500. DBX1000.3)均為1時，即可實現M80指令的各功能。將M50. 2置為1，控制卡盤的松緊信號Q1. 4為1，卡盤松開;將Q0. 6置為1，通知機器人進行上料動作。另外，從表5可看出:為使機床保持進給，DB3200. DBX6. 0要置為1。為保證讀入禁止，DB3200. DBX6. 1要置為to讀入禁止后，機床不能執行下一加工指令。只有機器人發送可進行下一步動作的信號I2. 4后，讀入禁止信號復位，才能繼續執行M80的下一個指令。
其他M指令的PLC控制程序與M80的類似，分別根據表2所需達到的功能編寫PLC程序即可。所有M指令的控制程序可放在一個新建的子程序塊中，在主程序中進行調用。
3. 4 機床手動按鈕的開發
若數控機床為手動卡盤和手動防護門，就需要將其改造為氣動或液壓裝置。自動卡盤和自動防護門的電氣結構較為簡單，也很類似。如將卡盤改造為氣動卡盤，PLC輸出接口的連接如圖4所示，卡盤氣缸的控制電氣原理圖如圖5所示。當PLC輸出信號Q1. 4 = ON時，控制KA 11繼電器的線圈得電，KA 11繼電器常開觸點閉合，YA1電磁閥得電，控制閥體接通，從而控制機床自動卡盤的氣缸縮回并松開工件。同理，當PLC輸出信號Q1. 4 = OFF時，氣缸回到初始狀態并夾緊工件。
另外，為了在手動狀態下也能控制卡盤的松緊和防護門的開合，必須在機床面板上新增相應的控制按鈕。一般的數控系統，控制界面上都有閑置的按鈕供用戶開發所用。828 D數控系統各按鈕對應的PLC輸入輸出接口如表6所示。可查出:采用閑置的按鈕T11作為卡盤松緊的控制按鈕時，按T11一次，PLC的輸入接口I118. 5得電一次;PLC的輸出信號Q116. 5 = ON時，Tll上力一的指示燈亮。配合圖6所示的PLC控制程序，即可實現手動狀態下卡盤的松開和夾緊控制(按第一次松開，按第二次夾緊)。
圖6 卡盤控制按鈕對應的PLC控制程序
同理，用按鈕T14控制防護門開關的PLC控制程序如圖7所示。
圖7 防護門控制按鈕對應的PLC控制程序
4、總結
根據上述章節所講的二次開發內容，可完成數控系統的基本改造，使其滿足自動生產需求。該方法為實際經驗的積累，己多次用于實際機床的改造，且機床運行效果良好。另外，所有數控系統的二次開發方法都是相似的，讀者可融匯貫通，進行其他數控系統的開發。
5、兩種工藝的試驗研究
通過反復計算修正、優化工藝流程后螺釘連接鑲裝工藝能夠保證鑲裝質量和使用要求，但是又出現一個問題，封堵螺釘沉孔的尼龍銷隨著溫度變化熱脹冷縮量較大，有時會膨出導軌面刮傷移動部件上的聚四氟乙烯，因此又對填充物的材料進行了深入研究。
對幾種材料尼龍6、國產膠、進口膠進行試驗，測量以下數據:
(1)常溫下基面與尼龍銷、膠體面的高度差;
(2)試件加熱至42℃，再次測量基面與尼龍銷、膠體面的高度差。
反復試驗后得出表1所示數據，可以看出，尼龍6銷釘熱膨脹0. 008一0. 015 mm，熱膨脹量大;國產膠熱膨脹0. O1 - 0. 04 mm，熱膨脹量較大;進口膠熱膨脹0一0. 008 mm，熱膨脹量較小。
實際使用時，因為導軌副之間有潤滑油潤滑和冷卻，溫度不可能達到42 ℃，所以尼龍6材料和進口膠都能滿足使用要求。但是進口膠價格昂貴，性價比差，在滿足充分潤滑冷卻的前提下，還是優選尼龍6作為填充材料。
對粘接鑲裝工藝從膠的材料、厚度、粘接時施加的壓力、固化時間等力一面進行了多次試驗研究，得到了以下結果:雙組份環氧樹脂結構膠(AB膠)具有十分良好的粘接效果，這種膠強度高(抗剪強度[π] > 18 MPa,鋼一鑄鐵正拉粘強度[α]> 30MPa)，能承受較大載荷，且耐老化，耐疲勞、耐腐蝕;膠層厚度為0. 1一0. 2 mm時粘接效果和經濟性較好;粘接時夾具上使用約0. 1 MPa的力加壓，常溫20 - 25℃下，膠液可迅速固化，且可以保證膠層厚度;固化時間24 h，確保粘接牢固。膠層充滿導軌板和槽底部、兩側間隙后能夠產生足夠的粘結力，膠層熱脹冷縮量較小，可以避免使用過程中鋼導軌板或側面膠體高出導軌面。
通過反復計算、分析、試驗、優化后兩種鋼導軌板鑲裝工藝都能滿足使用要求。螺釘連接鑲裝工藝由于材料費、人工費高出粘接工藝10%一15%，考慮可靠性因素，一般用于價值較高的大、重型機床上;考慮經濟性因素及借鑒國內外同行廠家的應用情況粘接鑲裝工藝一般用于中、小型機床上。
6、結束語
通過對鑲裝工藝的研究，論證了鑄鐵基體鑲裝鋼導軌板的可行性，為滾滑復合導軌的推廣應用奠定了堅實的基礎。如今，滾滑復合導軌己推廣應用到某公司落地世、刨臺世、龍門銑、臥式加工中心等系列產品上，取得了良好的經濟社會效益。 螺釘連接、粘接兩種鋼導軌板鑲裝工藝各有優缺點，大家可根據具體需求和自身的實際情況選擇使用。
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