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基於自動上下（xià）料工作站的西（xī）門子數（shù）控係統二次開發

2018-3-26 來源：四川信息職業技術學院作（zuò）者：熊雋

摘要:為（wéi）滿足“工業4. 0”中“智能（néng）上廠”的需求，數控（kòng）機床必須與機器人、機械手（shǒu）等設備配合，實現自（zì）動化（huà）、無人化（huà）生產。這就需要對數控係（xì）統進行二次開發，使其（qí）“能說話、能（néng）思考”。根據實踐經驗，以（yǐ）西門子828 D數（shù）係統為例，講（jiǎng）解數控係統二次開發的內容及方法，包括:二次開發的步驟、I/0口和數控係統上作流程設計、控製指令開發、控製按鈕開發、電氣結構設計等（děng）。

關鍵詞:工業4.0; 數控係統; 二（èr）次開發

“工業4. 0”是製造業迎來（lái）的第4次工業革命，以生產高度數字化、網絡化、機器（qì）自（zì）組織為標誌。“工業4. 0”的最終目標是建立（lì）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（lì）體倉庫等設備應用於加工過程，是實現智能工廠的（de）重要環（huán）節，也得到了廣泛的應用（yòng）。

目前，隨著（zhe）國內外數控係統在柔性、可靠性和開（kāi）放性等方麵的飛速發展，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（duì）828 D數控（kòng）係統進行二次開發（fā），使其“能說話、能思考”，與機器人、機械手等（děng）設備配（pèi）合，實現自動化生產，達（dá）到（dào）低成（chéng）本、高效率的效（xiào）果。

1、數控係統二次開發要（yào）求

要實現機床自動化生產，須采（cǎi）用機器人或（huò）機械手進行自動上下料。為保證機器（qì）人或機械（xiè）手在數控機床加工時能配合默（mò）契，及時、準確無誤地上下料，不與（yǔ）機床發生幹涉，機床就必須做（zuò）到以下幾點:

(1) 實現機床與外部設（shè）備通信。

(2) 機床配（pèi）置（zhì）自動卡盤和自動防護門。

(3) 為加工（gōng）時能很好地控製機床，必（bì）須開發（fā）必要的輔助加工指令。

(4) 為了手動狀態下也能控製機床，需添加防（fáng）護門開關、卡盤鬆緊等按鈕。

2、西門子（zǐ）828 D數控係統簡（jiǎn）介及二次開發內容

2. 1 西門子828 D數控係（xì）統簡介

828 D是一款緊湊（còu）型數控係統（tǒng），支持車（chē）、銑工藝應（yīng）用（yòng），能滿足不同安裝形式和不同性能要求的需要。完全獨立（lì）的車（chē）削和銑削應用係統軟件，可以盡可能多地預先設（shè）定機床功能，從而最大限（xiàn）度減少機床調試所需時間，比想象的還容（róng）易。它集CNC, PLC操作界麵以及軸控製功能於一體，通過Drive-CLiQ總線與全數字驅動的SINAMICS 51200PLC實現高速（sù）可靠通信，且PLC的I/0模塊通過PROFINET連接，可自動識（shí）別，無需額外（wài）配置。

2. 2 西門子828 D數控係（xì）統二次開發內容及步驟

數控係統的二次開發（fā）就是針對PLC軟件（jiàn）的開發。828 D數控係統的PLC控製程序包含有一個主程序和多個子程序。可根（gēn）據自身需求，像搭積木一樣，將新開發出的控製子（zǐ）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控製程序的導（dǎo）出

即將機床原有的PLC控（kòng）製程序導出。828 D數控係統可（kě）利用機（jī）床界（jiè）麵的【調試存檔】功能將機床的PLC程序導出，存儲到（dào）用戶接（jiē）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控製程序的開發

828 D數控係統采用機床內置的SINAMICS 51200PLC進行控製。從機床中導出的PLC控製程序，可利用“PLC Programming Tool”軟件導入（rù）。經過新建子程序，並在主程序中進行調用，達到控製需求。程序開發（fā）完（wán）成（chéng）後，必須使用軟件的【導出】功能，導出（chū）後綴名為“.ARD”的程序。

(3) 根據控製需求，進行（háng）電（diàn）氣結構設計與安裝（zhuāng）。

(4) PLC控製程（chéng）序的導（dǎo）入及調試。

將開發好的PLC控製程序（xù），通過用（yòng）戶接口所連接的外存儲器，使用【載入調（diào）試存檔】功能導入到數控係統中，並可通過（guò）【調試】功能，進行PLC程序的在線（xiàn）調試。

3、西門子828 D數控係統二次開發的（de）具體方法

為方便講解，下麵以最為典型的828 D數控車削係統配合機器人上下（xià）料為例，講解數控係統（tǒng）二次開發的具體方法。

3. 1 I/0口和控製指令設計

3. 1. 1 PLC的I/0口設計

為滿足通信要求，在PLC己用I/0通（tōng）信接口的基礎上，新設（shè）定與（yǔ）卡盤、機床防護門、機器人通信的I/0口，如表（biǎo）1所示。

3. 1. 2 控製指令設計

要實現自（zì）動生產，數控係統必須開發必要的輔助加工指（zhǐ）令（lìng），使機床在（zài）程（chéng）序自動運行過程（chéng）中能實現（xiàn）防護門（mén）自（zì）動開關、卡盤自動夾緊和鬆開、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（lìng），如（rú）表（biǎo）2所示（shì）。

3. 2 數控係統土作流程

利用上節設計的I/0通信口和M指令，設（shè）計數控係統工作流程如圖1(a)所示，並編寫（xiě）相應（yīng）的機床加工程序，如圖1(b)所示。

圖1 數控係統（tǒng）上作流程圖

3. 3 機床M指（zhǐ）令的開發

西門子828 D數控係統加工（gōng）程序中（zhōng）的M指令，譯碼以後由NCK送給PLC，從MO一M99，每個M指令譯碼（mǎ）後占用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（dāng）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（suǒ）設計的功能，就要（yào）利用該信號，並（bìng）通過PLC程序進行控製。如（rú）:開（kāi）發M80指令編寫的PLC控製程序如圖2、圖3所示。

圖（tú）2 促發M50. 5的PLC控製程序

圖（tú）3 M80指令的PLC控製程序

首先，M80指令隻在機床的自動運行模式和M DA模式下才能（néng）生（shēng）效（xiào）。根據表4可查出，來自NCK的係統（tǒng）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（shì）“自動AUTO"。因此，自動運行模式的（de）信號地（dì）址為"DB3100. DBXO. 0"，當淚L床處於自動運行模式時DB3100. DBXO. 0為1。同（tóng）理，處於MDA模式時DB3100. DBXO. 1為to兩信號的（de）並聯輸出信號M50. 5，即為M80指令可（kě）執行（háng）的基本條件。

圖4 PLC輸出接（jiē）口連（lián）接圖

圖5 卡盤氣缸的控（kòng）製電氣原理圖

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，控製卡盤的鬆緊信（xìn）號Q1. 4為（wéi）1，卡（kǎ）盤鬆開;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（gěi），DB3200. DBX6. 0要置為1。為保（bǎo）證讀入禁止，DB3200. DBX6. 1要置為to讀入禁止後，機床不能執（zhí）行下一加工指令。隻有機器人發送可進行下一（yī）步動作的信號I2. 4後，讀入（rù）禁（jìn）止信號複位，才能繼續執行M80的下一個指（zhǐ）令。

其他M指令的PLC控製程（chéng）序與M80的類（lèi）似，分別根據表2所（suǒ）需達到的功能編寫PLC程序即可（kě）。所有M指令的控製程序可放在一個新建的子程序塊中，在主（zhǔ）程序中進行調用（yòng）。

3. 4 機床手動按（àn）鈕的開發

若數控機床為手動卡盤（pán）和（hé）手動防護（hù）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（hù）門的電氣結構較為簡單，也很類似。如（rú）將卡（kǎ）盤改（gǎi）造為氣動卡盤，PLC輸（shū）出接口的連（lián）接如圖4所示，卡盤氣缸的控製（zhì）電（diàn）氣原理（lǐ）圖如圖5所示。當PLC輸出信號Q1. 4 = ON時，控製KA 11繼電器的線圈得電，KA 11繼（jì）電器常開觸點閉合，YA1電磁閥得電，控製閥體接通（tōng），從而控製機床自動卡盤的氣缸縮回並鬆開工件。同理，當PLC輸出信號Q1. 4 = OFF時，氣缸（gāng）回到初始狀態並夾（jiá）緊（jǐn）工件。

另（lìng）外，為了在手動狀態下也能控製（zhì）卡盤的鬆緊和防護門的開合，必須在機床麵板上新增相應的控製按鈕。一般（bān）的數控係統，控製界麵上都有閑置的按鈕供用戶開發所用。828 D數控係（xì）統各按鈕對應的PLC輸入輸出（chū）接口如表6所示。可（kě）查出:采用閑置的按鈕T11作為卡盤（pán）鬆緊的控製按鈕時，按T11一次，PLC的（de）輸入接口I118. 5得電（diàn）一次（cì）;PLC的輸出信號Q116. 5 = ON時，Tll上力（lì）一的指示燈亮。配合圖6所（suǒ）示的（de）PLC控製程序（xù），即可實現手動狀態（tài）下卡盤的鬆開和夾緊（jǐn）控製(按第一次（cì）鬆開，按第二次夾緊)。

圖6 卡盤控製按鈕對應的PLC控（kòng）製（zhì）程序（xù）

同理，用（yòng）按鈕T14控製防護門開關的PLC控製程序如（rú）圖7所示。

圖7 防護門控製按鈕對應的PLC控製（zhì）程序

4、總結

根據上述章節所講（jiǎng）的二次開發內（nèi）容，可完成（chéng）數控係統的（de）基本改造，使其滿足自動（dòng）生產需（xū）求（qiú）。該方法為（wéi）實際經（jīng）驗的積（jī）累，己多次用於實際機床的改造，且機床運行效果（guǒ）良（liáng）好。另外，所（suǒ）有數控係統的二次開發方法都是相似的，讀（dú）者可融匯貫通，進（jìn）行其他數控係統的開發。

5、兩種（zhǒng）工藝的試驗研究

通過反複計算修正、優化工藝流程後（hòu）螺釘連接鑲裝工藝能夠（gòu）保證鑲裝質量和使用要求，但是又出現一個（gè）問題，封堵螺釘（dìng）沉孔的尼龍銷隨著溫度變化熱脹冷縮量較大，有時會膨出導軌麵（miàn）刮傷移動部件上（shàng）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（jìn）行試驗，測量以下數據（jù）:

(1)常溫（wēn）下基麵（miàn）與尼（ní）龍銷、膠體麵的高（gāo）度差;

(2)試（shì）件加熱（rè）至42℃，再次（cì）測量基麵與尼龍銷、膠體麵的（de）高度差。

反複試驗後得（dé）出（chū）表1所示（shì）數據，可以看（kàn）出，尼龍6銷釘熱膨脹0. 008一0. 015 mm，熱膨脹（zhàng）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（jìn）口膠價格（gé）昂貴，性（xìng）價比差，在（zài）滿足充分潤滑冷卻的前（qián）提（tí）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（lì）一麵進行了多次試驗研究，得到了（le）以下結果:雙組份環氧樹脂結構膠(AB膠)具有十（shí）分良好的粘接（jiē）效果（guǒ），這種膠強度高(抗剪強度[π] > 18 MPa,鋼一鑄（zhù）鐵正拉粘強度[α]> 30MPa)，能承受較（jiào）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（jì）性較好;粘接時夾具上使（shǐ）用約0. 1 MPa的力（lì）加（jiā）壓，常（cháng）溫20 - 25℃下，膠液可迅速固化，且可以保證膠層厚度;固化（huà）時間（jiān）24 h，確保粘（zhān）接牢固。膠層充（chōng）滿導軌板和槽底（dǐ）部、兩側（cè）間隙後能夠（gòu）產生（shēng）足夠的粘（zhān）結力，膠層熱脹冷縮量較小，可以（yǐ）避免使用（yòng）過程中鋼導軌板或側麵膠體高出導軌麵。

通（tōng）過反複計算、分析（xī）、試驗、優化後兩種鋼導軌板（bǎn）鑲裝工藝（yì）都能滿足使用要求。螺釘連（lián）接鑲裝工藝（yì）由於（yú）材料費、人工費高（gāo）出粘接（jiē）工（gōng）藝10%一15%，考慮可靠性因素，一般用（yòng）於（yú）價值較高的大、重型機床上;考慮經濟性（xìng）因素及借鑒國內外同行廠家（jiā）的應用情況（kuàng）粘（zhān）接鑲裝工藝一（yī）般用於中、小型機床上。

6、結束語

通過對鑲裝工藝的研（yán）究，論證（zhèng）了鑄鐵基（jī）體鑲裝鋼導軌板的可行性，為滾滑複合導軌的推廣應用奠定了堅實（shí）的基礎。如今（jīn），滾滑複合導軌己推廣應用到某公司落地世、刨（páo）台世、龍門銑、臥式加工中心等係列產品上，取得了良好的經濟社會效益。螺釘連接、粘接兩種鋼（gāng）導軌板鑲裝工藝各有優缺點，大家可根據具體需求和（hé）自身的實際情況選擇使用。

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