NUM數(shù)控技術(shù)應(yīng)用

NUM 數(shù)控技術(shù)應(yīng)用 神龍襄樊工廠的進口設(shè)備主要來自法國 所以其中的數(shù)控設(shè)備也主要采用源自法國 SCHNEIDER 的 NUM 數(shù)控系統(tǒng) 發(fā)動機 車橋 變速箱及刃磨車間裝備的上百臺數(shù)控機床 基本上覆蓋了 NUM 數(shù)控 的全系列產(chǎn)品 從簡單的不帶 PLC 的 NUM720 到 PLC 只使用匯編語言的 NUM740 750 760 到結(jié)構(gòu)緊湊的 NUM1020 1040 直到功能強大的 NUM1060 系列 還有一臺缸蓋加工設(shè)備使用 ROBONUM800 這其中以 NUM1060 使用最多 我們以它為例 看看 NUM 數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用情況 NUM1060 基本硬件結(jié)構(gòu)如 附圖 1 從右至左 物理地址遞增順序 依次為電源 power supply 圖形處理器 graphic processor 機床處理器 machine processor 即 PLC CPU NC 處理器 NC processor 存儲器卡 memory card 軸卡 axis card 及輸入輸出卡 I O card 機床面板通過光纜從電源模塊接入 數(shù) 控面板由圖形處理器管理 NUM1060 使用雙總線結(jié)構(gòu) 如 附圖 2 system bus 為 NC 總線 serial bus 為 PLC 總線 這兩條總線在機架內(nèi)一目了然 電源模塊自然要和兩條總線相連 PLC CPU 因為處理與 NC CPU 的信息交換 也要掛上雙總線 此外 每個 CPU 模塊還有自己的局部 總線 處理 CPU 與協(xié)處理器 局部 RAM 及總線接口的數(shù)據(jù)通訊 NC 程序和 PLC 程序在上電時由 MEMORY 卡傳入各 CPU 的局部 RAM 運行 此外 CPU 上留有各種特殊接口 用于中斷輸入 定時器輸入輸出 模擬量輸入輸出及 Mapway Ethway 等組網(wǎng)功能 外設(shè)通訊等 附圖 3 為 PLC CPU 接口示意圖 隨著 CNC 版本及應(yīng)用場合不同 各模塊配置會有些變化 如 NUM1060 UCS2 的 NC PLC 和圖形處理器集成為一塊 I O 模塊有五種 見附圖 1 以 64I 48O 卡使用最 多 機床面板也是一種特殊的 I O 模塊 它占用 I O 地址 具有模擬量和數(shù)字量輸入輸 出 Axis card 可以是模擬軸 也可以是數(shù)字軸 QVN 軸卡 同時還有許多靈活應(yīng)用 如單 NC 面板多 CPU 單 CPU 多 NC 面板 單 CPU 多個機床面板等 如果 PLC CPU 上的 中斷輸入或模擬量輸入輸出接口不夠用 PLC CPU 上提供 4 個模擬量輸入 2 個模擬量輸 出和 4 個中斷輸入通道 可以使用 IT SERIAL 卡 擴展 4 個中斷輸入 4 個串行接口 或 ANALOG I O 卡 擴展 8 個模擬量輸入 8 個模擬量輸出 而基本機架插槽容量不夠 時 可以使用擴展機架 但對于一般使用場合 基本配置已經(jīng)綽綽有余 可達(dá)最大 15 塊 NC 模塊 或 8 塊 I O 模塊 所以神龍襄樊工廠沒有用到這些擴展 NUM1060 的軟件結(jié)構(gòu)除 NC 程序和 PLC 程序外 還有機床參數(shù) machine parameter 外部參數(shù) external parameter 簡稱 E 參數(shù) L 變量及自定義變量 等 PLC 程序和 E 參數(shù)中還包含 NC 與 PLC 的交換區(qū)變量 下面從軟件應(yīng)用入手看看 NUM1060 的特點 一 一 NUM1060 編程 1 1 NC 編程 NUM1060 提供非常豐富的數(shù)控編程指令 除了常用的 ISO 編程 G 指令和 M 功能外 還有圓柱坐標(biāo)和極坐標(biāo)編程功能 有鍵槽曲線加工 剛性攻絲 螺紋加工 啄式和中心鉆 孔 锪孔 鏜孔 腔體加工 表面和樣條曲線加工等數(shù)十種加工循環(huán) 有鏡像 數(shù)制轉(zhuǎn)換 比例縮放 緊急回退 切線進給 恒線速進給 軸組同步等功能指令 及進行主軸速度分 級和主軸定位 NUM1060 還提供一種特殊的編程指令 動態(tài)操作者 dynamic operator 它不同于一般的 NC 指令 執(zhí)行完跳到下一條指令 該指令便不再被理會 而是 一旦被讀取 就開始被不停地重復(fù)執(zhí)行 直到被取消 而同時 NC 程序仍在繼續(xù)向下執(zhí)行 這一點有些類似于模態(tài) G 指令 但它與模態(tài) G 指令有又本質(zhì)區(qū)別 動態(tài)操作者在每一個實 時時鐘周期 RTC real time clock 均被執(zhí)行一次 執(zhí)行時間以微秒計 正是由于這個特點 我們可以利用動態(tài)操作者解決許多意想不到的問題 比如 X 軸和 Y 軸之間必須完成一種復(fù)雜的插補關(guān)系 讓編程人員傷透腦筋 我們可以 找到一個與 X 軸有相對簡單的插補關(guān)系 且和 Y 軸有一定位置換算關(guān)系的 第三軸 U 并將它定義為非測量的虛擬伺服軸 我們先激活一個動態(tài)操作者 將 U 的坐標(biāo)換算后 實 時 地傳給 Y 軸 動態(tài)操作者主要是一些運算與傳送存儲指令 然后再執(zhí)行 X 和 U 的插 補 這樣 X 和 Y 之間的復(fù)雜插補關(guān)系就實現(xiàn)了 因此使用動態(tài)操作者我們可以方便地實現(xiàn)工件按振蕩曲線往復(fù)運動的平面磨床保持恒 定線速度磨削 使軸組在旋轉(zhuǎn)工作臺上保持一個固定的位置 加工一個移動的工件 還可 以實現(xiàn)軸同步 鏡像同步 甚至允許在執(zhí)行 NC 程序時手動移動軸 這給半自動對刀帶來 方便 或用 CNC 當(dāng)作示波器來觀察一個軸的響應(yīng) NC 程序可以在自動 手動 步進 MDI TEST DRYRUN 等方式下運行 其中 TEST 方式下只在 CRT 顯示刀具加工軌跡 軸電機保持不動 用來檢驗程序的正 確性 DRYRUN 方式下必須先修改程序或有關(guān)參數(shù)將進刀點后移 它的主要特點是所有軸均 以最快速度 G0 速度 運動 而不根據(jù)編程速度 它用來驗證機床動作循環(huán)是否正常 此外 還具有程序段跳過 和 軸回來 功能 并支持表面輪廓幾何編程 PGP 對話輸入加工工件的輪廓圖 自動生成 NC 程序 2 2 PLC 編程 NUM1060 可以單獨使用匯編或梯形圖語言 或兩者混用 它還支持 C 語言編程 其 PLC 程序分為周期性程序 背景程序和中斷程序 基本程序是周期性程序 初始化程序 INI 僅在 PLC 啟動時執(zhí)行一次 用于硬軟件配 置等 TS0 每 20ms 執(zhí)行一次 TS1 TS4 每 100ms 執(zhí)行一次 背景程序主要處理機床信息顯示 它可以在用戶屏幕 user screen 以文字或圖形 方式顯示各種操作與運行信息 NUM 稱之為透明方式 共有 256 個子程序可供上述程序調(diào)用 中斷程序由硬件 IT 中斷或定時器中斷觸發(fā) 其優(yōu)先級最高 用來處理緊急或?qū)崟r中 斷事件 如果發(fā)生程序錯誤或 PLC 總線故障 PLC 程序自動停止執(zhí)行 看門狗被復(fù)位 NUM1060 第一個輸出模塊的第一個輸出點被系統(tǒng)自動定義為看門狗 用戶可以將它接入 安全控制回路 PLC 通過交換區(qū)變量與 NC 交換信息 對于通過交換區(qū)無法取得的信息 PLC 可以用 UNI TE 協(xié)議讀取 UNI TE 同時也是 NUM1060 CNC 通過 Mapway Ethway 進行遠(yuǎn)程 通訊的協(xié)議 二 二 NUM1060 參數(shù)變量 1 1 機床參數(shù) P 參數(shù) 它是 NUM1060 的核心參數(shù) 定義 CNC 系統(tǒng)的幾乎所有特征 如軸組配置 軸運動特 性 位置反饋 DNC 傳輸甚至 PLC 語言選擇等 如果采用數(shù)字軸 則還有相關(guān) QVN 軸參 數(shù) 機床參數(shù)在輸入后一般固定不變 但部分仍可以在 NC 程序中由 E 參數(shù)臨時改寫 2 2 外部參數(shù) E 參數(shù) E 參數(shù)大致有三種 第一種如上所述 對應(yīng)于 P 參數(shù) 反映 CNC 系統(tǒng)的特征狀態(tài) 第二種反映 CNC 的各種實時狀態(tài) 如對應(yīng)各軸的速度 位置值 刀具參數(shù)值 參考 點狀態(tài) 伺服狀態(tài)等 通過在 NC 程序中對這些 E 參數(shù)的讀寫 可以方便地完成諸如自動 對刀 刀具補償 軸回零等許多功能 讓我們來看一個有趣的例子 數(shù)控軸執(zhí)行回零后 在原點開關(guān)附近來回晃悠幾次 然后便停下來 發(fā)出 參考點錯誤 信息 數(shù)控軸是怎么知道它的參考點 原點 找錯了 呢 原來有一個專門反映原點開關(guān)狀態(tài)的 E 參數(shù) 原點開關(guān)被壓下 斷開 時該 E 參數(shù)值 為 1 我們可以利用它判斷由于原點開關(guān)斷線等原因而導(dǎo)致參考點回錯的問題 NUM1060 回零過程如下 軸以回零速度按回零方向向原點開關(guān)移動 取壓上原點開關(guān)后第一個編碼 器零脈沖作為參考點 參考點回完后 將軸反向移出一段距離 即到達(dá)正常找到參考點時 原點開關(guān)剛好能復(fù)位的地方 判斷 E 參數(shù)的值 然后再按回零方向移動到參考點前面且原 點開關(guān)能被壓下的地方 再判斷 E 參數(shù)的值 如果前一次不為 0 或者后一次不為 1 則參 考點有誤 編碼器兩零脈沖間距 L 第 1 步 到 c 第一個零脈沖為參考點 第 2 步 返回到 a 判斷 E 參數(shù) 0 a b c 第 3 步 到 b 判斷 E 參數(shù) 1 回零方向 原點擋塊 E 參數(shù) 1 L 4 L 2 第三種 E 參數(shù)用于 NC 與 PLC 程序的信息交換 它們有的由 NC 寫 有的由 PLC 寫 有的 NC 和 PLC 都能寫 這種 E 參數(shù)沒有特定的含義 只有程序設(shè)計者在程序中使用它才 富有生命力 3 3 L 變量 主要在 PLC 程序中用作運算變量 它與 E 參數(shù)有個明顯的區(qū)別 L 變量在程序運行時 保持其在運算中被賦予的值 但一旦 NC 程序停止執(zhí)行后 L 變量就被清零 4 4 自定義變量 類似于 C 語言 在 NC 程序中可以定義變量 這些變量一旦被定義 就同 L 變量一樣 被使用 自定義變量和 L 變量都可使用堆棧 堆棧在存儲樣條曲線參數(shù)方面很有用 三 三 多軸組配置 NUM1060 可以配置 8 個軸組 每組 9 根軸 相應(yīng)軸組的 NC 程序用 g 表示 g 1 8 各軸組同時獨立運行 實行組內(nèi)聯(lián)動 組間協(xié)調(diào) 因而我們有同時擁有砂輪工 件導(dǎo)輪軸組 金剛滾輪軸組 上下料機械手等多達(dá)五個軸組的無心磨床 而對照地 在使 用 FANUC16 的雙主軸雙刀塔 MURATA 車床上 必須采用 option2 CPU 模塊 組間協(xié)調(diào)在變速箱差殼生產(chǎn)線有一個典型的例子 如圖 軸組 1 從上方進入鏜削內(nèi) 球面 軸組 2 3 鏜削左右孔 三個軸組同時啟動加工 如果同時進入則會產(chǎn)生刀具干涉 所以在各軸組間設(shè)立協(xié)調(diào)標(biāo)志 當(dāng)軸組 1 進入加工時 設(shè)立標(biāo)志符 通知組 2 3 在外面 等待 直到組 1 加工完退出 標(biāo)志符取消 組 2 3 才進入加工 軸組 1 軸組 2 軸組 3 工件 當(dāng)然這種協(xié)調(diào)關(guān)系也可以用 NC 與 PLC 交換區(qū)變量實現(xiàn) 但在 NC 程序中設(shè)立標(biāo)志的 方法顯然更加簡單明了 可讀性強 這 8 個軸組中最后排列的軸組可以是 PLC 軸組 允許軸由 PLC 控制 在附圖 4 我們 可以看到 PLC 功能控制一個主軸的情形 PLC 程序中對于所有軸組均要作相應(yīng)處理 它與 NC 的交換區(qū)變量以 Rg 和 Wg 表示 g 1 8 同時也有各軸組共用的變量 這樣可以利用交換區(qū)對單個軸或軸組進行控 制 比如機床內(nèi)軸組在加工時 不允許機械手軸組進入機床 四 四 尺寸精度控制 數(shù)控機床加工尺寸精度涉及因素很多 我們看看 NUM1060 幾種與尺寸精度有關(guān)的功 能 1 1 刀具補償 有三種補償方式 第一種是操作人員直接在數(shù)控面板進入刀具 TOOL 頁 手工輸 入補償數(shù)值 這種方式適用于人工離線測量 第二種是在 NC 程序中修改對應(yīng)于刀具補償?shù)?E 參數(shù)的值 這種方式適用于利用靈敏 探頭自動對刀 在線測量 利用裝在數(shù)控軸上的測量探頭進行測量 將自動計算的差值補 入 或已知磨損規(guī)律的定頻次定量補刀 或砂輪修整后將修整量從刀具參數(shù)中減去 第三種是 PLC 動態(tài)刀補指令 它能指定任意刀具號在某方向的任意補償量 特別適 合于結(jié)合下一工位自動量儀進行尺寸控制 量儀一旦發(fā)現(xiàn)工件尺寸進入補償區(qū) 就向 PLC 發(fā)出一個正向補刀或負(fù)向補刀信號 于是 PLC 激活一次動態(tài)刀補 在刀補參數(shù)中補償一個 相應(yīng)的值 注意這里是事后補償 即補償量在下一工件得到體現(xiàn) NC 計入刀具參數(shù) 加工刀具 PLC 激活動態(tài)刀補 被加工工件 下工位檢測 被測工件 量儀請求補償 量儀 2 2 誤差校準(zhǔn) 在機床參數(shù)中可以規(guī)定各軸的反向間隙補償 在數(shù)控面板上可以輸入多個點的螺距 誤差補償值 及交叉軸校準(zhǔn) interaxis calibration 3 3 主動量儀 用主動量儀實時測量控制軸的進給在外圓磨床上使用廣泛 這一點將在后述的中斷 技術(shù)中討論 4 4 恒速磨削 NUM1060 通過計算砂輪尺寸 控制變頻主軸砂輪實現(xiàn)恒線速度磨削 達(dá)到高表面精 度 這一點將在后述的模擬量輸入輸出中討論 五 五 診斷功能 NUM1060 具有強大的自診斷功能 除了上面提到的 PLC 看門狗之外 它還提供近千 條 NC 錯誤信息 這些信息幾乎包括了所有的系統(tǒng)硬件故障 軟件編程錯誤 靜態(tài)與動態(tài) 故障 例如程序語法錯誤 溢出 死循環(huán) 軸軟限位超出 編碼器信號丟失或互補性錯誤 總線故障等等 一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障 NC 被復(fù)位 相應(yīng)信息在 NC 面板顯示 NUM1060 也允許用戶編寫類似的故障信息 在 NC 程序中編寫 在 NC 程序中調(diào)用 其處理和顯示方式與系統(tǒng)故障類似 然而用戶更多地關(guān)注機床信息 如動作步驟 動作故障 邏輯故障等 這些信息顯 示有多種方法 1 1 NC 程序中利用信息輸出語句 0 可在 NC 程序執(zhí)行時在 axis 頁顯示有關(guān)信息 如當(dāng)前運行步驟 需要操作者干預(yù)的提示信息等 2 2 在 message 頁顯示 這些信息內(nèi)容編寫在 NC 程序 9999 9 中 由 PLC 程序用交 換區(qū)變量調(diào)用 一般用作操作與機床故障信息顯示 對于匯編語言 還可以將信息內(nèi)容 編寫在信息表 TM 中 調(diào)用方法大同小異 3 3 用戶屏幕顯示 即前述的 透明方式 一旦需要顯示信息 即調(diào)用背景程序 顯 示程序編寫好的文字或圖形信息 六 六 其它 1 1 中斷技術(shù) 在 PLC 編程一節(jié)已經(jīng)提到中斷程序 實際廣泛使用的還是 NC 中斷指令 G10 對于 IT 中斷輸入 它既可以指定為 PLC 中斷程序 中斷任務(wù) 的觸發(fā)者 也可以指定為 NC 中 斷指令 G10 的觸發(fā)者 這由 PLC 編程決定 G10 在軸運動語句中出現(xiàn) 如 G01 X100 F100 G10 N1000 表示 X 軸向 X100 處移動 如果在運動到 X100 之前中斷被觸發(fā) 則立即停止軸移動 轉(zhuǎn)而執(zhí)行 N1000 語句 如果 G10 后不跟語句標(biāo)號 則轉(zhuǎn)到當(dāng)前語句的下一條語句 如果運動到 X100 還未觸 發(fā)中斷 則執(zhí)行下一條語句 G10 中斷有三種觸發(fā)形式 第一種 PLC 程序中將 ARBUT 置位觸發(fā)中斷 這在外圓磨床中使用很典型 主動量 儀一旦發(fā)現(xiàn)尺寸到達(dá) 立即給發(fā)出信號到 PLC 輸入模塊 置位 ARBUT 從而使砂輪停止 進給 轉(zhuǎn)入光磨階段 G10 中斷 轉(zhuǎn)入光磨程序 置位 ARBUT 停止進給開始光磨 量儀發(fā)現(xiàn)尺寸到達(dá) 通知 PLC 砂輪正在磨削工件 G01 XL100 FL10 G10 第二種 由硬件中斷觸發(fā) 在 PLC 中定義中斷輸入 一旦相應(yīng)的中斷輸入通道的信 號斷開 馬上觸發(fā)中斷 這種方式用在需要高速響應(yīng)的場合 如砂輪和金剛輪的全自動對 刀 砂輪向金剛滾輪移動 一旦碰上金剛滾輪 超聲波傳感器檢測到信號 將中斷輸入信 號切斷 利用中斷時軸位置被 E 參數(shù)記憶的特點 對刀點被確認(rèn) 第三種通過將一個軸的位置與某一閾值進行比較 產(chǎn)生中斷 如 G10 7 20 5 N100 這種方式常在回參考點程序中使用 2 2 定時器功能 PLC CPU 有兩個 8 位定時器 timer A 輸入 timer B 輸出 可以實現(xiàn)定時 計數(shù) 中斷 觸發(fā) PLC 中斷任務(wù) 或用來測量一個外部邏輯信號的寬度 精度達(dá) 34 微秒 3 3 模擬量輸入輸出 模擬量輸出通道由 PLC 程序配置 典型的應(yīng)用是給砂輪變頻電機調(diào)速器提供 10V 指令電壓 這樣能取得較恒定的磨削線速度 通過修整量及補償值 NC 很清楚砂輪的 直徑 它利用 E 參數(shù)傳遞給 PLC PLC 模擬量輸出通道通過 DAC 轉(zhuǎn)換后輸出速度指令給變 頻器 參見附圖 4 給模擬主軸提供 10V 電壓的情形 模擬量輸入也要在 PLC 程序中配置 它可以用來接收來自變頻器或測速機的表征速 度的信號 在現(xiàn)場還有兩個常用的例子 一是用來判斷工件類型 模擬量位移傳感器靠上工件 根據(jù)工件外形尺寸不同輸出不同的模擬量電壓 經(jīng) PLC 處理后可以確定相應(yīng)的工件類型 另一例是用來調(diào)整切削液噴嘴的位置 由于砂輪直徑在逐漸減小 有些設(shè)計為了保 證切削液始終精確地噴向砂輪切線方向 使用可動噴嘴 噴嘴與可調(diào)電位器相連 如圖 電阻的阻值與噴嘴的位置線形相關(guān) 因而根據(jù)電位器上的電壓變化 可以驅(qū)動電機正 反 轉(zhuǎn) 調(diào)整噴嘴到與砂輪當(dāng)前直徑相適應(yīng)的位置 絲杠 電機 可調(diào)噴嘴 可調(diào)電位器 轉(zhuǎn)換成電壓信號 輸入模擬量輸入口 砂 輪 4 4 緊急回退 緊急回退指令 G75 聲明一個緊急回退子程序 在其后整個 NC 程序執(zhí)行過程中 一旦 PLC 激活緊急回退請求 BDEGURG NC 程序馬上跳到事