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1、S 数控天地 ?6 8? 2 0 0 3 年 第1 1 期 数控P机床市场 西门子8 4 0 D系统是一种适于各种控制领域不同 要求的数控系统， 它具有高度模块化、 开放性的结构特 点，适于操作、编程、监控及维护。它结合S 7 可编程 控制器以及S I N U ME R I K 6 1 1 D 数字驱动构成全数字控 制系统， 适于复杂加工任务的控制。 同时由于它具有高 级语言编程特色的用户友好编程器，使得其在复杂机 床控制中得到充分的发挥。本文结合实例介绍一下如 何使用西门子数控系统实现对美国吉丁斯路易斯 2 4 U数控车床的刀塔的控制。 一、设备概况及西门子控制系统 特点 该设备是美国吉丁斯
2、路易斯公司早期生产的数 控车床，设备所使用的控制系统是该公司自行开发的 数控系统。该设备由X 、Z 、主轴以及一个双层刀架组 成。根据设备的加工要求及使用特点选用S I E ME N S 8 4 0 D 作为控制系统无疑是一种最佳选择。 因为它具有 以下的特点： ?N C 编程：运用用户变量、 系统变量、 间接编程、 算术三角函数、比较或逻辑运算、程序跳转、程序调 用、宏调用等给机床的使用带来了极大的自由度。 ?利用Wi n d o ws 技术改变人机界面使操作界面适 合于不同的控制任务。窗口式的设计使操作者可以对 过程进行全面监控。 ?S I MO D R I V E 6 1 1 驱动可以实
3、现进给轴驱动， 闭 西门子系统与机床改造 环控制以及主轴控制等，该驱动适用于恶劣的工作环 境， 对灰尘、 腐蚀性液体、 冲击、 振动及热冲击的抵抗 力很强；1 F K 6 电机具有优异的刚性。 另外，8 4 0 D系统中诸如数学运算、 程序控制、 程 序跳转、 子程序的调用等功能容易实现， 易于实现该设 备刀塔的控制， 其中所要用到的N C 功能主要分为以下 几类： A 数学运算类：主要包含以下指令 加法指令 减法指令 乘法指令 除法指令 B 逻辑运算类：主要包含以下指令 A N D与指令 O R或指令 C . 程序跳转：主要包含以下指令 1 无条件跳转 ：G O T O B L A B L
4、E 向后跳转 G O T O F L A B L E 向前跳转 2 条件跳转 ： I F （表达式） G O T O B L A B L E I F （表达式） G O T O F L A B L E 其中，表达式中包含以下指令： 等于 不等于 大于 = 大于等于 = 小于等于 D H功能：利用H功能实现找刀，并且运用其 符号特性来完成刀库的正反转，实现就近找刀。 E 系统变量：本机床中主要用到的系统变量如 下： $ T C _ D P 2 5 t , d t : T 刀具号 d : 刀沿 $ T C _ D P 2 4 d t : T 刀具号 d : 刀沿 $ C _ T $ P _ T O
5、 O L N O 二、控制难点分析 刀塔的特点：该刀塔采用液压驱动，双层塔式结 构，分上下两层，上层是6 把刀，下层为8 把刀，也就 是说上层刀具分度为6 0 度， 下层刀具分度为4 5 度， 其 中上下两层的1 号刀具在同一角度，图1 所示如下： 使用时，刀具的准确定位依靠鼠牙盘（牙间距1 度） ，粗定位要通过一个外接增量式旋转编码器 （分辨 率：1 0 2 4 线/ 转） 来实现。 为了实现这一功能需要将该 刀塔作为一个跟随轴来处理。 ( 图2 所示) 图2 中X 4 1 1 接X 轴的电机内置编码器，X 4 2 1 接 X 轴的外接海德汉线性光栅尺， 实现全闭环控制 ； X 4 2 1
6、接Z 轴内置编码器，半闭环控制。通过直接位置接口 X 4 2 2 实现对刀塔的位置控制。 为了实现这一功能需要 对刀塔作如下的处理：首先，需要将刀塔设置成跟随 轴，其次要对该轴作如下配置： MD 1 0 0 0 0 3 B ，将刀塔定义为B轴 MD 2 0 0 7 0 3 4 ， 在屏幕上显示刀塔的位置值 通过以上的配置后，启动机床，旋转刀塔，在显 示屏上可以看到B轴（即刀塔）的坐标位置随着改变， 本刀塔就是利用该坐标值来控制刀具的定位。但是如 何准确地选择刀具是本刀塔的难点，这是因为：其一， 在本刀塔上除了外置编码器外没有任何刀具检测开关， 所以无法通过P L C程序来判断刀具是否旋转到位；
7、其 二， 该刀塔选用的是增量式编码器， 断电后不能记忆刀 塔的当前位置。 三、解决方案 为了解决这一问题，可以通过系统功能块F B 2 及 F B 3 将刀塔的当前位置读入P L C中，依靠P L C 来记忆 当前位置值，同时可以使用此方法来记忆刀塔的当前 刀具号， 但是使用此方法很难准确地控制刀塔的位置， 因为该刀塔使用液压双速控制方式，使用高速来快速 找刀，低速来准确定位，因此使用F B 2 很难连续读取 刀塔的当前位置，也就是说F B 2 功能块所读到位置和 当前的实际位置很难保持同步，这样便无法准确控制 刀具位置。 为了解决这一问题， 最后采用N C 和P L C 相 结合的方法来完成
8、对该刀塔的控制，用此方法的特点 是：P L C程序量很小，且无需P L C记忆刀具以及刀塔 的当前位置等；利用N C 丰富的计算功能及逻辑功能易 于实现对目标的控制。 S 数控天地 ?7 0? 2 0 0 3 年 第1 1 期 数控P机床市场 ( )( ( )( )e tKe tWt =+ uuuu vuuuvuuuu v 其中，K为比例系数，W为加权系数， 调整K可改变修正误差( )e t uuuuv 的作用强度，随着K的 变化，( )e t uuuuv 将沿着其矢量方向移动， 但与 v的夹角不变， 即 它对跟踪误差和随动误差的加权程度是固定不变的。 调整W可改变 ( )e t uuuuv与
9、 v的夹角，即改变对 ( )e t uuuv 及 ( ) t uuuu v 的加权程度。随着W的变化，修正误差矢量 ( )e t uuuuv的端点 将沿法线方向移动。加权系数W的大小反映了对跟踪 误差及随动误差的加权程度。W愈大， ( )e t uuuuv与 v 的夹角 愈接近9 0 ，对随动误差的补偿作用愈强，而对跟踪 误差的补偿作用愈弱，从而可能导致位置控制器的不 稳定。反之，W愈小，对随动误差的补偿作用愈弱，甚 至使交叉耦合控制器失效。 4 . 结论 通过以上论述和比较可以发现，交叉反馈控制是 一种新颖的数控机床随动误差的补偿方法，有结构简 单、 易于实现、 通用性强等诸多优点， 在进行
10、的仿真实 验中也获得了比较理想的补偿效果。对交叉反馈控制 进一步的研究并推广应用具有很好的科学意义和应用 价值。 另外， 在N C 程序中使用P r e s e t 功能 可以动态地改变刀塔的位置值。依据 P r e s e t o n ( A x i s , v a l u e ) 可以改变坐标的当 前值的特点，便可实时刷新刀塔的位置 值， 从而实现对该刀塔的控制。 下面举例 说明该指令的功能，例如： G 0 B 1 0 0 ：B轴移动到位置1 0 0 处 P r e s e r o n ( B 5 0 ) ：为B 轴分配一个新 的实际值5 0 以上指令是将B轴的坐标当前位置 由1 0 0
11、通过P r e s e r o n 指令改成5 0 。 因此， 通过P r e s e t o n 指令可以将坐标位置随意 改变为所需的数值，此功能特点是实现 本刀塔的前提条件，下面我用流程图表 示： ( 图3 ) 在本刀塔的控制中,每次换刀前首先 通过运算式R 2 0 = ( 7 - R 1 0 ) * 6 0或R 2 0 = ( 1 9 - R 1 1 ) * 4 5 计算出当前刀具的实际位 置，再使用P r e s e t o n （B 1 ， R 2 0 ） 指令对 刀塔当前刀具的坐标位置进行刷新，这 样处理还可以有效的防止因累积误差而 造成刀具位置的偏差。 四、小结 调整结束后，该刀塔不但能记忆当前的刀具位置, 可以实现正反转、就近找刀、高速转动找刀及低速转动 定位等功能，而且反应速度快，性能稳定，使用效果非常好。 （上接6 7 页）
