西门子840D数控系统的应用

Abstract:In this page, the construction of the siemens 840D digital control system both in software and hardware, and application is described through practical example。

Key words: 840D  digital control system  profibus   hardware  software

0 引言

在制造业现代化的今天，生产的高效率和产品的高质量要求使得一些高精度数控机床和高性能数控系统应运而生，同时也使许多普通机床和传统工艺难以解决的问题变得相对简单了一些，使生产效率和产品质量也有很大程度的保证。我公司的玻璃数控钻孔机的数控系统采用了西门子公司的SINUMERIK 840D系统，在使用过程中高精度的产品质量和极低的故障率（主要取决于清晰的可视化报警信息，使得故障能够迅速排除）赢得了客户对此系统的信任。下面对SINUMERIK 840D系统和驱动的执行机构—机械结构介绍如下：

1 设备机械结构的组成：

此设备用于玻璃的钻孔加工，如图1所示，整个机加上有两根平行的横梁，两对钻轴分别安装在由4个位置电机带动可左右移动的固定板上，每块固定板分别由固定在横梁上下的两个直线导轨滑块与固定板连接在一起，钻轴的左右移动由固定在固定板上的位置电机M1,M2,M3,M4通过齿轮齿条带动钻轴沿Y方向左右移动。每个钻轴的内部由两个电机组成,靠近钻头的电机(M7,M9,M11,M13)带动钻头旋转。钻轴的另外一个电机（M6,M8,M10,M12）通过电机内部的丝杠螺母副将电机转子的旋转运动转换为轴向升降运动，带动钻头作上下进给运动，即Z向运动。玻璃定位时首先由X方向定位装置（此装置在图中未画出，其方向为垂直于纸面的方向，装置的运动由X方向位置电机M5驱动）将玻璃推至准确位置，各钻轴沿Y方向移动至正确位置，下钻头上升，开始钻玻璃的下平面，钻至设定的深度，下钻头退回，然后上钻头下降钻玻璃的上平面，钻至设定的深度后退回。此设备可同时对两个孔进行加工。

图1  机械结构组成图

2  SINUMERIK 840D数控系统

2.1 硬件部分：

SINUMERIK 840D采用特殊的三CPU结构：人机通信CPU、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。如图2所示MMC-CPU在OP012人机界面内，NC-CPU和PLC-CPU集成在NCU572内。

图2   840D数控系统构成

2.1.1  NCU数字控制部件

以NCU572为核心，电源模块采用SIMODRIVER 611D，电源模块主要为NCU和给611D数字驱动提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测电源和模块的状态。后面有三个进给模块通过驱动总线接口与NCU572挂接，数控和驱动的接口信号为数字量，分别驱动两对钻头的Y方向位置电机（M1,M2,M3,M4）和X方向位置电机M5。同时NCU572又通过PROFIBUS现场总线与OP012人机界面、S7-300PLC及控制电机转速的变频器连接在一起。

2.1.2 MMC人机通讯
　　人机通讯是数控系统和人进行信息交流的通道。包括: OP(Operation Panel)和MMC。

2.1.2.1  OP012 操作面板
　　OP(Operation Panel)单元由一个12.1″TFT显示屏和一个NC键盘组成。人机界面OP012采用Windows 95作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。生产过程中的各种生产数据的变更和各种现场数据的监控，在OP012上清晰可见，其软件内容丰富功能强大。

2.1.2.2  MMC计算机
　　MMC实际上是一台计算机。它有自己独立的CPU，还可以带硬盘，带软驱。OP单元正是这台计算机上的显示器，而西门子MMC的控制软件也在这台计算机中。

2.1.3  PLC模块
　　SINUMERIK 840D数控系统的PLC部分使用的是西门子SIMATIC S7-300的软件及模块。其电源由西门子SITOP电源（40A）提供，接口模块IM361是用于级之间的互连。它通过PROFIBUS现场总线与NCU572连接。在IM361右侧为信号模块，信号模块是用于PLC输入/输出的模块，有输入型和输出型两种。即输入模块SM321和输出模块SM322。PLC的CPU与NC的CPU是集成在NCU中的。设备上的各种光电开关、行程开关的输入和电磁阀、接触器的输出信号分别与输入和输出模块相连，控制各种外部执行元件的协调动作。

2.1.4  各部分相互连接
　　NCU数控单元是CNC控制部件的核心，它与MMC、伺服电源模块、进给伺服驱动装置和伺服电机连接。本系统采用全闭环控制，伺服电机采用1FK型内置编码器电机，通过伺服电机编码器作为位置检测元件，将位置信号反馈至数字驱动模块（611D）的位置接口X411，构成全闭环控制系统。实现了对玻璃钻孔孔位的精确定位控制。在钻孔时为确保上下钻头的同心度（即上下钻头中心重合），在四个位置电机移动的Y方向上设置了四个行程开关，作为四个钻轴的参考点位置。在打开机器电源后，需要对各钻轴进行参考点复位动作，即给各钻轴的编码器赋值（刚打开电源时各编码器的值均为零。在进行参考点复位时，钻轴运行到行程开关的位置时，编码器的值变成系统预先设定的参考点的值）。当上下钻头出现位置偏差时，在系统的软件内还设置了误差补偿量，通过调整补偿量可以很方便的将偏差纠正过来。

2.1.5  其他硬件部分
　　如前所述，每一个钻轴内部由两个电机组成，即钻头的旋转和轴向进给。4台轴向进给的电机由4台SIEMENS  MASTERDRIVE  MC变频器分别控制（每个钻轴一个），变频器的控制信号来自NCU572，通过PROFIBUS现场总线传递。4个钻轴的旋转电机的速度由一台SIEMENS  MM440变频器控制，各电机旋转的启动停止分别由各自的接触器（在变频器和电机之间）单独控制。变频器的控制信号也是来自NCU572，通过PROFIBUS现场总线传递。钻头的进给速度和旋转速度均可根据玻璃厚度和工艺条件在MMC内选择。在进给电机尾部有内置编码器来测量钻头进给深度。内部有原点光电开关作为钻头的原点（参考点）位置。

2.1.6  数控系统与PC的连接
　　因PLC-CPU和NC-CPU集成在NCU572内，在进行PLC和NC程序调试时，可将PC与NCU572连接，即可对程序进行修改和调试。

2.2  软件部分：
　　SINUMERIK 840D软件系统包括4大类软件：MMC软件系统、NC软件系统、PLC软件系统和通信及驱动接口软件。

2.2.1 MMC软件系统
　　在MMC103系统上带有10GB的硬盘，内装有基本输入、输出系统（BIOS），DR-DOS内核操作系统、Windows95操作系统，以及串口、并口、鼠标和键盘接口等驱动程序，支撑SINUMERIK与外界MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之间的相互通信及任务协调。

2.2.2 NC软件系统
　　NC软件系统包括下列内容：

2.2.2.1  NCK数控核初始引导软件
　　该软件固化在EPROM中。

2.2.2.2  NCK数控核数字控制软件系统
　　它包括机器数据和标准的循环子系统，用户必须理解每个循环程的参数含义才能进行调用。

2.2.2.3  SINUMERIK 611D驱动数据
　　它是指SINUMERIK 840D数控系统所配套使用的SIMODRIVE 611D数字式驱动系统的相关参数。 

2.2.3  PLC软件系统
　　PLC软件系统包括PLC系统支持软件和PLC程序。

2.2.3.1 PLC系统支持软件
　　它支持SINUMERIK 840D数控系统内装的CPU315-2DP型可编程逻辑控制器的正常工作，该程序固化在NCU内。

2.2.3.2 PLC程序
　　它包含基本PLC程序和用户PLC程序两部分。

2.2.4  通信及驱动接口软件
　　它主要用于协调PLC-CPU、NC-CPU和MMC-CPU三者之间的通信。

3  结束语

SINUMERIK 840D，它在复杂的系统平台上，通过系统设定而适于各种控制技术。840D与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATIC S7可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它不仅仅应用在钻孔机上，而是应用于机械加工设备及各行各业的设备控制系统中，西门子840D数控系统是当今世界较为先进控制系统，其体积小，，功能强，程序设计简单，维护方便，价格低廉等特点，倍受用户的青睐。其全数字化的系统、革新的系统结构、更高的控制品质、更高的系统分辨率以及更短的采样时间，确保了一流的工件质量。同时也使它在各行各业的数控设备中得到了广泛的应用。

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