武漢中控南方科技有限公司 胡國(guó)清
內(nèi)容提要：文章針對(duì)多軸多通道數(shù)控機(jī)床，以1臺(tái)16軸五面體龍門加工中心的改造為例，敘述了同類機(jī)床應(yīng)用SINUMERIK 840D系統(tǒng)常用功能的應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)，包括多通道設(shè)置、9軸以上的FC19修改、HHU應(yīng)用、MMC自定義畫(huà)面制作以及刀庫(kù)程序的開(kāi)發(fā)等。
關(guān)鍵詞： 840D 多軸 多通道 MCP程序修改 HHU應(yīng)用 MMC畫(huà)面制作 刀庫(kù)程序設(shè)計(jì)
Function development & application in SIEMENS 840D
on Multi-axis & Multi-channel NC machine
HU Guoqing
（Wuhan ZoControl South Science & Technology Co.,Ltd.，Wuhan 430070，CHN）
Abstract：In allusion to multi-axis & multi-channel NC machine，starting from an example of one 16-axis CNC maching centre，normal function devolopment and application in SIEMENS SINUMERIK 840D on the congener machine are described. Such as multi-channel setting，modification of FC19 more than nine axis，application of HHU，user-defined HMI exploitation，application program devolopment of tool magazine,etc..
Keywords：840D；Multi-axis；Multi-channel；Modification of MCP program；Application of HHU；User-defined HMI exploitation；Application program devolopment of tool magazine.
對(duì)于數(shù)控軸較多的機(jī)床，在設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中需充分考慮系統(tǒng)軟硬件特性，避免設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程的反復(fù)，從而給項(xiàng)目的實(shí)施帶來(lái)影響。筆者以1臺(tái)KOLB 16軸CNC五面體龍門加工中心應(yīng)用SIEMENS SINUMERIK 840D和SIMODRIVE 611D改造實(shí)施過(guò)程中常用功能的應(yīng)用開(kāi)發(fā)與應(yīng)用為例，同行交流，不對(duì)之處敬請(qǐng)指正。
本文所述的內(nèi)容包括：硬件組態(tài)、多通道及雙方式組參數(shù)設(shè)置、多軸MCP功能塊程序的修改、多軸HHU操作功能的實(shí)現(xiàn)、MMC自定義功能畫(huà)面制作、刀庫(kù)程序的編制。
1 硬件組態(tài)
1．1 NCU及其啟動(dòng)軟件
SIEMENS 840D的NCU包括有561.2、571. 2／3、572. 3／4和573. 3／4，由其硬件特性可知分別支持2軸、6軸、31軸和31軸，對(duì)于16軸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)應(yīng)選572.3以上的NCU。
NCU啟動(dòng)軟件常用的有4類，分別支持2／6／12／31軸，所以選型型號(hào)應(yīng)為6FC5250-*AX(或Y)30-*AA*。由于SIEMENS的NCU啟動(dòng)軟件5.X及以前版本的啟動(dòng)軟件是與硬件有關(guān)的，注意軟件與PC卡及NCU的配套，自6.0以后版本的啟動(dòng)軟件可靈活運(yùn)用。
1．2 PLC硬件組態(tài)
由于I/O點(diǎn)較多，又因?yàn)镹CU內(nèi)置的IM360最多只能擴(kuò)展3個(gè)S7-300機(jī)架，有可能不夠用，此時(shí)可以設(shè)計(jì)1個(gè)或幾個(gè)（最多31個(gè)）ET200遠(yuǎn)程站，應(yīng)用PROFIBUS DP總線連接至NCU的X102接口。
1．3 數(shù)控系統(tǒng)組態(tài)
仔細(xì)計(jì)算每個(gè)機(jī)架的功率分配，選擇合適的電源模塊；對(duì)于功率較小的軸應(yīng)選用雙軸模塊以節(jié)約空間，連接雙軸模塊時(shí)應(yīng)注意信號(hào)線與電源線的位置匹配；如果一個(gè)機(jī)架中模塊數(shù)量太多應(yīng)增加監(jiān)控模塊，另外需注意驅(qū)動(dòng)總線與數(shù)據(jù)總線的連接。
因驅(qū)動(dòng)模塊較多，應(yīng)仔細(xì)計(jì)算電源模塊與驅(qū)動(dòng)功率模塊以及電抗器等的散熱，從而選擇相應(yīng)容量的空調(diào)設(shè)備。
2 多通道及雙方式組參數(shù)設(shè)置
2．1 特殊功能的激活
SIEMENS 840D的一些非標(biāo)準(zhǔn)配置功能均需要激活，否則就不能使用，通用MD19000以后的參數(shù)分別對(duì)應(yīng)于它的一些特殊功能。
2．2 通道軸的設(shè)置
多通道功能激活后，首先設(shè)置1通道的軸，然后可以通過(guò)切換通道設(shè)置2通道的軸，通常將加工軸放在1通道，刀庫(kù)軸放在2通道。
取軸名時(shí)應(yīng)注意SIEMENS的相關(guān)規(guī)定，否則會(huì)造成報(bào)警和參數(shù)配置失敗。
配置軸驅(qū)動(dòng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意軸的物理順序和軟件順序的協(xié)調(diào)一致，若有雙軸模塊只用一個(gè)通道時(shí)應(yīng)設(shè)置另一個(gè)通道為非活動(dòng)軸。
2．3 雙方式組的設(shè)置
當(dāng)機(jī)床具有兩個(gè)MCP，且使用要求需要設(shè)置兩個(gè)方式組時(shí)，可以將不同的通道定義到不同的方式組。
除設(shè)置功能激活參數(shù)外，還應(yīng)對(duì)機(jī)床通用參數(shù)相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行設(shè)置。
設(shè)置成雙方式組后，在主程序中DB19／DB21／DB22的接口信號(hào)處理和調(diào)用FC19時(shí)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置要一致。
3 MCP功能塊程序的修改
SIEMENS 8x0D Toolbox 為制造商提供了較好的開(kāi)發(fā)工具，其中包括MCP應(yīng)用功能塊程序FC19，使用STL編制，通常直接在OB1中調(diào)用即可。
但FC19標(biāo)準(zhǔn)程序只支持9個(gè)軸的操作，如果機(jī)床的軸多于9個(gè)，而且你希望直接通過(guò)MCP選軸進(jìn)行JOG等模式下操作，則需要對(duì)FC19進(jìn)行修改。
SIEMENS特意沒(méi)有對(duì)FC19進(jìn)行加密保護(hù)，這也為制造商提供了修改FC19來(lái)適應(yīng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用需要的可能性。
3．1 FC19結(jié)構(gòu)說(shuō)明
FC19的關(guān)系數(shù)據(jù)塊是DB7，程序首先將調(diào)用參數(shù)傳遞到內(nèi)存中，傳送保存MCP輸入輸出地址到五個(gè)數(shù)組，處理INC值和倍率、取當(dāng)前軸號(hào)，處理選軸輸入輸出及其鏈接信號(hào)，然后處理方式組信號(hào)。
3．2 程序修改方法
從選軸程序段著手，修改原來(lái)只讀9個(gè)軸的輸入輸出狀態(tài)為16個(gè)軸，對(duì)隨后的軸信號(hào)處理分支程序進(jìn)行修改，增加10－16軸信號(hào)狀態(tài)的處理即可。
修改程序前應(yīng)確定使用哪幾個(gè)自定義鍵來(lái)作為10－16軸的操作鍵，并查出對(duì)應(yīng)的I/O的數(shù)組地址，修改時(shí)應(yīng)注意對(duì)上一次被選軸號(hào)的保存和上下程序段的銜接。
相應(yīng)的DB塊也需要作一些修改，以適應(yīng)數(shù)據(jù)的一致性。
3．3 多通道多方式組機(jī)床FC19的調(diào)用
對(duì)于雙通道系統(tǒng)，應(yīng)調(diào)用FC19兩次，并分別給以調(diào)用條件。下面就是一個(gè)雙通道單方式組的FC19調(diào)用程序（程序中FC118即是修改后的FC19，調(diào)用參數(shù)不變）
L DB19.DBB 22
T MW 90
SET
SAVE
CLR
A BR
= L 20.0
A L 20.0
A(
L MW 90
L 1
<=I
)
JNB _001
CALL FC 118
BAGNo :=B#16#1
ChanNo :=B#16#1
SpindleIFNo:=B#16#6
FeedHold :=DB21.DBX6.0
SpindleHold:=DB36.DBX4.3
_001: A L 20.0
A(
L MW 90
L 2
==I
)
JNB _002
CALL FC 118
BAGNo :=B#16#1
ChanNo :=B#16#2
SpindleIFNo:=B#16#0
FeedHold :=DB22.DBX6.0
SpindleHold:=M92.0
_002: NOP 0
有一點(diǎn)需要說(shuō)明，從上面的程序可看出通道1調(diào)用時(shí)采用比較指令為<=I，也就是說(shuō)當(dāng)MW90=0時(shí)也調(diào)用通道1，這是因?yàn)檎{(diào)試中發(fā)現(xiàn)840D系統(tǒng)剛啟動(dòng)且未操作過(guò)通道切換鍵時(shí)DB19.DBB22＝0，此時(shí)若按常規(guī)使用＝＝I指令則會(huì)造成開(kāi)機(jī)無(wú)通道激活的問(wèn)題。
3．4 相關(guān)問(wèn)題
如果你對(duì)FC19現(xiàn)有程序控制的操作方法不滿意，或者有一個(gè)自制MCP需與原裝MCP之間進(jìn)行操作方式切換、點(diǎn)動(dòng)功能鍵的互相屏蔽等，也可以通過(guò)對(duì)FC19的相關(guān)部分進(jìn)行修改來(lái)達(dá)到目的。
4 多軸HHU操作功能的實(shí)現(xiàn)
HHU是數(shù)控機(jī)床的常用操作設(shè)備，掌握它的應(yīng)用是制造商的基本要求，SIEMENS為此在Toolbox中提供了相應(yīng)的文檔。下面就以Ver6.3版為例說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)HHU操作多軸機(jī)床。
4．1 FC68＆DB68的生成
(1) 打開(kāi)toolbox6.3中Handheldunit.zip釋放到一個(gè)目錄中（如\HHU）
(2) 在Step 7中建立一個(gè)新Project，打開(kāi)GP8x0d63庫(kù)，將所有文件Copy到新Project中。
(3) 在新Project中Source夾下，用insert external source打開(kāi)\HHU目錄下所有.AWL文件。
(4) 由于該源文件是德文版的，所有應(yīng)在項(xiàng)目管理器的Option－Customize－Language下將當(dāng)前語(yǔ)言改為德文，并重新啟動(dòng)。
(5) 在新建項(xiàng)目Symbol Editor中增加“—DB” DB68 DB68條目。
(6) 先編譯HHU2_db68，生成DB68文件。
(7) 再編譯HHU2_fc68，生成FC68文件。
(8) 若有兩個(gè)MCP，則用同樣方法生成FC119或FC124即可。
(9) 在新建項(xiàng)目Symbol Editor中增加“BHG_stv” FC68 FC68條目。
4．2 FC68的調(diào)用
一個(gè)典型的FC68調(diào)用程序：
L DB19.DBB 8
OW W#16#0
JN M002
L 1
T DB19.DBB 8
M002: CALL "BHG_stv"
BHG_on_condition:=M50.2
BHG_stop :=M50.1
HW_to_mmc :=TRUE
inch :=DB10.DBX107.7
BHG_activ :=DB2.DBX187.7
chan_nr :=DB19.DBB8
BAG_nr :=MB181
下面對(duì)其調(diào)用參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明：
BHG_ON_condition——它可以使HHU處于不可激活狀態(tài)。
BHG_stop——若為“1”，則HHU被停止激活并可以拔下來(lái)。
HW_to_mmc——相當(dāng)于FB1中的HWheelMMC參數(shù)。若為“1”，則第一個(gè)手輪可以通過(guò)MMC來(lái)激活。
Inch——對(duì)應(yīng)DB10.DBX107.7，若為“1”，則實(shí)際位置顯示為英制。
Chan_nr——選擇的通道號(hào)。
BAG_nr——方式組號(hào)（在DB68中設(shè)定的）
4．3 操作方法及相關(guān)說(shuō)明
使用DB68&FC68激活HHU后，就可以通過(guò)其鑰匙開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)啟／關(guān)閉HHU了。
操作說(shuō)明：
(1) 方式選擇：使用INC/handw.按鈕可以切換到INC模式，使用JOG和AUTO可以切換到點(diǎn)動(dòng)與自動(dòng)模式
(2) 幾何軸的選擇：直接使用X/Y/Z按鈕即可。
(3) 其它軸的選擇：使用“4”鍵可以激活選軸的子菜單，然后通過(guò)“JOG”、“KT1”、“KT2”和“FeedStop”、“＋”、“KT3”鍵選擇上下兩行相應(yīng)的軸。如果軸數(shù)超過(guò)6個(gè)，則使用“～”鍵進(jìn)入下面6軸的選擇子菜單，以此例推。
(4) 通道切換：使用“＋”、“－”鍵直接切換。相應(yīng)的通道名和方式組就隨著改變。
(5) 報(bào)警復(fù)位：當(dāng)報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，“～”鍵就相當(dāng)于Reset按鈕。
可以通過(guò)對(duì)DB68的修改來(lái)制定HHU開(kāi)機(jī)狀態(tài)的顯示文本，文本長(zhǎng)度不超過(guò)32；也可以修改軸操作狀態(tài)及位置顯示格式，文本長(zhǎng)度不超過(guò)16。這樣可以使用戶界面更加友好。
5 MMC自定義功能畫(huà)面的實(shí)現(xiàn)
隨著MMC的不斷升級(jí)，其性能在處理速度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、通訊、接口等方面不斷增強(qiáng)，常規(guī)的操作系統(tǒng)從Windows 95／NT 4.0到Windows XP，并開(kāi)始支持以太網(wǎng)和USB，為使用和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的方便。
制作動(dòng)態(tài)友好實(shí)用的HMI畫(huà)面可以使用戶更好地掌握機(jī)床的狀態(tài)，并可以通過(guò)制作系統(tǒng)故障監(jiān)控畫(huà)面來(lái)縮短故障排除時(shí)間，提高機(jī)床運(yùn)行效率。
下面就以PCU50為例說(shuō)明其自定義功能畫(huà)面的實(shí)現(xiàn)。
由于文件數(shù)據(jù)交換量較大，可以使用交叉電纜將PCU50與編程器連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，速度可達(dá)到100Mbps。
5．1 開(kāi)關(guān)機(jī)畫(huà)面
根據(jù)顯示器的分辨率和顏色位數(shù)使用圖像處理軟件制作好開(kāi)關(guān)機(jī)畫(huà)面文件，然后使用工具軟件轉(zhuǎn)換圖像格式為BMP。
送PCU50電源，選擇菜單進(jìn)入操作系統(tǒng)平臺(tái)，拷貝做好的文件至一個(gè)自定義目錄中，然后修改開(kāi)關(guān)機(jī)畫(huà)面文件名為自定義文件名即可。
5．2 EasyMask Ver6.30功能
EasyMask是一種可以嵌入到MMC軟件系統(tǒng)的用戶界面開(kāi)發(fā)軟件，使用方法簡(jiǎn)單，但因?yàn)椴皇强梢暬鎸?duì)面開(kāi)發(fā)，制作界面時(shí)往往費(fèi)時(shí)較多。
(1) 通用功能：激活PLC信號(hào)、設(shè)定給定值，同一臺(tái)MMC中可以最多安裝3套EasyMask，每套可制定最多24個(gè)人機(jī)對(duì)話界面，支持MS Windows NT／XP操作系統(tǒng)。
(2) 靜態(tài)元素：直線、文本、靜態(tài)圖像（支持BMP、WMF、ICO格式）、支持靜態(tài)圖標(biāo)按鈕、對(duì)應(yīng)PLC相應(yīng)位的軟按鈕。
(3) 動(dòng)態(tài)元素：棒圖（3種動(dòng)態(tài)顏色）、動(dòng)態(tài)圖像（根據(jù)相應(yīng)值改變的圖像）、輸入輸出域、背景色動(dòng)態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)文本。
5．3 使用EasyMask制作畫(huà)面
將EasyMask安裝到C:\ADD_ON目錄下，在提示輸入軟按鈕位置時(shí)可以修改默認(rèn)值7為9、10或其它空余的位置，提示按鈕提示文本時(shí)根據(jù)需要修改，對(duì)于界面已經(jīng)漢化的MMC來(lái)說(shuō)，如果希望顯示中文提示文本，則此項(xiàng)修改無(wú)效，需到相應(yīng)的INI文件中手工寫入相應(yīng)的命令。
在做好了所有準(zhǔn)備工作后，就可以開(kāi)始制作畫(huà)面了：
(1) 先在EM.INI文件中確定AUTO_MOVE變量的值（TRUE表示輸入框之間通過(guò)回車鍵來(lái)移動(dòng)），增加［TEXT_CH］子項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于漢化版界面變量，在相應(yīng)的位置輸入軟按鈕的中文名稱
(2) 然后打開(kāi)相應(yīng)的.TXT和.INI文件，使用各種繪圖指令布置靜態(tài)與動(dòng)態(tài)元素，對(duì)于背景較復(fù)雜的畫(huà)面，建議使用專業(yè)的繪圖軟件和圖像處理軟件事先制作好指定格式的圖像文件，然后嵌入到畫(huà)面的相應(yīng)位置。對(duì)于關(guān)聯(lián)PLC或NCU變量的動(dòng)態(tài)元素，應(yīng)注意其格式與PLC和NCU內(nèi)部定義類型的一致性。
6 刀庫(kù)程序的編制
對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，刀庫(kù)的動(dòng)作控制可以使用PLC程序編寫，也可以使用NC子程序與PLC相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于鏈?zhǔn)降稁?kù)和轉(zhuǎn)塔刀庫(kù)來(lái)說(shuō)，使用第一種方法較為方便，對(duì)于刀庫(kù)軸較多的機(jī)床來(lái)說(shuō)，使用第二種方法往往達(dá)到事半功倍的效果。
6．1 用PLC程序?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)存取刀具
下面將隨機(jī)存取刀具的編程思路簡(jiǎn)述如下：
(1) 先建立一個(gè)DB塊，在DB中定義一個(gè)結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)類型均為INT，數(shù)據(jù)數(shù)量為刀庫(kù)中刀座數(shù)量＋1（即將主軸刀座作為刀庫(kù)的一部分），根據(jù)用戶刀具編號(hào)和預(yù)擺放順序?qū)⒌毒咛?hào)分別輸入到各數(shù)據(jù)單元作為其數(shù)據(jù)值。
(2) 在DB塊定義的刀座結(jié)構(gòu)后定義3個(gè)數(shù)據(jù)類型INT的單元，分別存放刀具總數(shù)量、當(dāng)前需更換的目標(biāo)刀具號(hào)、當(dāng)前刀庫(kù)定位處的刀具號(hào)。
(3) 程序控制：若當(dāng)前刀庫(kù)定位處的刀具號(hào)＝目標(biāo)刀具號(hào)，則刀庫(kù)停止運(yùn)動(dòng)；若主軸刀座中的刀具號(hào)＝目標(biāo)刀具號(hào)，則換刀結(jié)束。
(4) 采集一個(gè)刀座移動(dòng)的上升沿信號(hào)，每走一步即根據(jù)刀庫(kù)刀具號(hào)順序刷新當(dāng)前刀庫(kù)定位處的刀具號(hào)，然后將定位處的刀具號(hào)與目標(biāo)刀具號(hào)比較，直到二者相等。
(5) M06對(duì)應(yīng)的PLC換刀動(dòng)作完成后，在DB塊中將剛找到的目標(biāo)刀具的刀座數(shù)據(jù)值與主軸刀座刀具號(hào)值相交換，使DB中的刀座結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)值始終跟蹤當(dāng)前刀庫(kù)中的刀具擺放順序。
(6) 在MMC中用EasyMask作一個(gè)監(jiān)控畫(huà)面，實(shí)時(shí)顯示DB中刀座結(jié)構(gòu)的各數(shù)據(jù)值，以便于用戶隨時(shí)查詢刀具擺放狀況以及在必要時(shí)調(diào)整擺放順序。
2．6．2 用NC程序與PLC相結(jié)合存取刀具
如果刀庫(kù)軸較多，則使用上述的方法編程換刀程序，會(huì)造成PLC與NC之間的數(shù)據(jù)交換很多，程序繁瑣且可讀性不好，此時(shí)可考慮將刀庫(kù)定位及機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程用NC子程序編寫，將動(dòng)作連鎖程序用PLC編寫，二者通過(guò)M06指令連接。
(1) 先定義一個(gè)二維數(shù)組，數(shù)組的行數(shù)等于刀庫(kù)刀具的數(shù)量，列數(shù)等于相關(guān)動(dòng)作的數(shù)控軸的數(shù)量。將測(cè)量好的各定位數(shù)據(jù)分別賦值到各數(shù)組單元。
(2) 編寫一個(gè)帶參數(shù)傳遞的子程序，INT參數(shù)就是要換的刀具號(hào)。根據(jù)調(diào)用的參數(shù)值動(dòng)態(tài)定位各相應(yīng)軸的位置。
(3) 機(jī)械手抓取刀具停止在等待換刀位，然后根據(jù)主軸原刀具號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)組的各軸位置值重新定位各相應(yīng)刀庫(kù)軸的位置，等待舊刀還原。
(4) 當(dāng)換刀的準(zhǔn)備工作完成后，即可停止主軸，定位滑枕到換刀位。
(5) 待機(jī)械手將新刀與主軸原刀具交換后，繼續(xù)完成舊刀還原動(dòng)作。最終機(jī)械手停止在等待換刀位。一個(gè)換刀動(dòng)作過(guò)程完成。
對(duì)于這類機(jī)床，通常刀庫(kù)軸在第二通道，主加工軸在第一通道，關(guān)于NC程序編寫有兩點(diǎn)需要說(shuō)明：
(1) 常規(guī)時(shí)第一通道的NC程序只能使用第一通道的數(shù)控軸，第二通道的NC程序只能使用第二通道的數(shù)控軸，要想將所有的數(shù)控軸結(jié)合在一個(gè)程序中編程，則需要使用一些通道程序運(yùn)行協(xié)調(diào)指令。
(2) 子程序若直接存放在子程序庫(kù)中，則用戶程序中的首行必須對(duì)需調(diào)用的子程序進(jìn)行類型聲明。
7 結(jié)語(yǔ)
多軸多通道數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中遇到的工作還很多，常見(jiàn)的有手輪操作權(quán)限的轉(zhuǎn)移與相互屏蔽、同步軸功能實(shí)現(xiàn)及其精度調(diào)整、自行編寫MCP程序、附件頭自動(dòng)識(shí)別技術(shù)等。限于篇幅，文中所述未能詳盡之處歡迎同行聯(lián)系以進(jìn)一步相互溝通。
