（测试计量技术及仪器专业论文）基于西门子810d的数控车床改造的研究.pdf

硕士学位论文 舅曼蔓曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼。i n i 曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 摘要 数控机床以其高效率和高精度的加工特点日益成为现代制造领域的基础装备， 以数控技术为核心的数控系统装配和制造水平已经成为衡量一个国家制造业水平的 重要标志。 本课题的研究就是基于西门子s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统对d p s l 8 0 0 型卧式车 床的数控改造，并结合数控系统的特点对机床参数进行了分析和设定。针对两门子 8 1 0 d 数控系统的特点和原有机床的控制要求，在保留原机床功能的基础上对其进行 机械、电气化改造，使其满足加工要求。 分析，降阶简化了系统的闭环传递函数， 同时通过对数控伺服进给系统原理的理论 建立了控制系统的数学模型。基于自控原 理的相关理论分析影响系统稳定性的参数，通过调整参数改善了系统性能，完成了 伺服驱动系统参数的优化和配置，满足了机床控制系统的要求。解决了系统在大减 速比、重载荷、超低速情况下启动时的主轴震荡问题，同时通过西门子s i n u m e r i k 8 1 0 d 数控系统实现了车床主轴c 轴精确分度的功能。应用计算机仿真软件m a t l a b 对控制系统高阶微分方程的时域和频域特性进行了仿真计算，分析影响系统稳定性 的相关参数。为以后研究高阶系统的稳定性提供了一定的基础。 通过一段时间的实际生产，机床运行稳定可靠，加工精度高。此次改造在扩展 了原有机床的加工能力的同时也为以后的系统改造提供了实用的参考价值。 关键词：数控系统：8 1 0 d ； 二阶系统；系统仿真 i i i 基于两门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 a b s t r a c t c n cm a c h i n et o o l sa r ei n c r e a s i n g l yb e c o m i n gt h eb a s i so fm o d e mm a n u f a c t u r e e q u i p m e n tf o ri t sh i g he m c i e n c ya n dh i g h p r e c i s i o np r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n g t oc n c t e c h n o l o g ya st h ec o r eo ft h ec n cs y s t e ma s s e m b l ya n dt h el e v e lo fm a n u f a c t u r e h a v eb e c a m et h es y m b o lo ft h ec o u n t r y sm a n u f a c t u r e t h i ss u b j e c ti sb a s e do ns i e m e n ss i n u m e r i k8l0 dc n cs y s t e ma n dr e s e a r c h e do n t r a n s f o r m a t i o no fd p s18 0 0c n ch o r i z o n t a ll a t h e 。c o m b i n e dw i t ht h em a c h i n et o o l n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n a l y s e dl a t h e sp a r a m e t e r sa n ds e t t i n g s a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fs i e m e n s81o dc n cs y s t e ma n dr e q u i r e m e n t so ft h eo r i g i n a lm a c h i n e w h i l eb a s e do nr e t a i n i n gt h eo r i g i n a lf e a t u r e so ft h em a c hi n ea n dt r a n s f o r m e dt h e i r m a c h i n e r y , e l e c t r i t i c a t i o nt om e e tt h ep r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s a tt h es a m et i m e ，t h r o u g h a n a l y s e dt h e o r e t i c a lp r i n c i p l eo fc n cs e r v os y s t e m ，s i m p l i f i e dt h ec l o s e d l o o ps y s t e m ， e s t a b l i s h e dam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa u t o c o n t r o lt h e o r ya n dd e t e r m i n e dt h ep a r a m e t e r sw h i c hi m p a c t e ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m b y a d i u s t i n gt h ep a r a m e t e r st oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e o p t i m i z e da n dc o n f i g u r e dt h e p a r a m e t e r so fs e r v od r i v es y s t e mt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fm a c h i n et o o lc o n t r o ls y s t e m s o l v e dt h es y s t e ms p i n d l ev i b r a t i o nw h e ns t a r tu pi nt h el a r g e r e d u c t i o n r a t i o 。h e a v y 1 0 a d u l t r a 1 0 w s p e e d w h i l et h r o u g ht h es i e m e n ss i n u m e r i k8l0 dc n cl a t h et oa c h i e v ea p r e c i s ep r o c e s s i n gf u n c t i o n so ft h es p i n d l ec a x i si n d e x i n g a p p l i c a t i o no fc o m p u t e r s i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b s i m u l a t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi nt i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i nw h i c hd e p e n d e do nh i g h r a n k sc o n t r o ls y s t e mo fd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s d e t e r m i n e dt h ep a r a m e t e r sw h i c hi m p a c to ns y s t e ms t a b i l i t y p r o v i d eac e r t a i nf o u n d a t i o n r e s e a r c ho fh i g h r a n k ss y s t e m ss t a b i l i t yf o rt h ef u t u r e t h r o u g hap e r i o do fa c t u a lp r o d u c t i o n ，t h em a c h i n et o o l so p e r a t e ds t a b l ea n dr e l i a b l e 。 a n dh i g ha c c u r a c y t h et r a n s f o r m a t i o no ft h eo r i g i n a lm a c h i n et o o l sm a k e st h ee x p a n s i o n o fp r o c e s sc a p a c i t ya sw e l la sp r o v i d i n gau s e f u lr e f e r e n c ef o rt h ef u t u r e k e y w o r d s ：c n cs y s t e m ；8 10 d ；s e c o n d o r d e rs y s t e m ；s i mul a t i o n 兰州理工大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 一1 张鸥e t 期：) 叼年岁月2 口e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众 提供信息服务。 作者签名：独离 导师签名：崩 日期：) 融c 年 日期：二晒年 土月二d日 乡月) ；e l 硕十学位论文 第1 章绪论 我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础比较薄弱，信息化技术应用 程度不高，可持续发展的能力较差，对竞争前沿数控技术的研究开发能力较弱，数 控技术应用领域拓展力度不强。就目前我国的数控技术水平来看，与国外一些高精 尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。与国际发展水平衡量，我国数控技术水 平大约落后1 0 - - 一1 5 年，在高精尖技术方面差距更大。我国数控技术应用水平也较低， 企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。对技术先进的数 控系统的研究不足，同时对国外技术依存度高。行业现有的信息化技术来源主要依 靠引进国外技术，对引进技术的消化吸收仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上， 没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高速、高精、高效、 复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床尤其是数控系统，基本上还得依赖进 口 1 1 。 以我国目前的技术水平还不能在高精度的复杂数控系统上和国外大公司竞 争，但是我们可以首先提高我国的数控技术的应用水平，大力消化和吸收国外先 进的技术，扩大和加深对国外先进数控系统的应用和研究。但是传统封闭的数控 系统是不允许我们进行二次开发的，所以对于开放式数控系统的研发成为一个迫在 眉睫的现状【2 j 。 1 1 开放式数控系统的发展 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应用到 了机床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台数控机床。从此，数控机床的发 展日新月异，到今天已经历经了两个阶段和六代：1 9 5 2 - 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶 段，这一阶段划分为三代，即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ； 第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 。自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技 术进入计算机数控( c n c ) 阶段，这是第四代数控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其特 征为微处理器用于数控；2 0 世纪9 0 年代开始后基于p c 的数控( p c n c ) 开始得 到迅速发展【3 j i 引。 经过上述半个世纪的发展，数控机床已经形成了高、中、低档俱全，涵盖各 种功能的不同产品系列。在过去的几十年中有力地促进了生产力的发展，但随着 信息时代的来临，传统的工业生产模式已经很难满足新时代的要求，随着世界经 基于西门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 济一体化进程的加快以及企业在全球范围内竞争的加剧，人们对产品的各种性能 的要求越来越高。主要表现在产品的形状和结构不断复杂化，加工质量的要求日 益苛刻，产品更新换代速度加快。这些要求使得传统大型单一功能制造系统已无 法适应变化的市场需求，当今市场越来越需求适合中小批量加工，具有良好柔性 和多种加工功能的制造系统。这一市场发展的客观趋势促成了一个新的概念的产 生，即模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统。2 0 世纪9 0 年代出现的p c n c 较 好地满足了开放式数控系统的各种特点和要求，成为开放式数控系统研究和实现 的主要途径【5 j 。 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 定义具有下列特性的系统可以被称为开放 系统：“符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它 的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面”。 开放式数控系统研究的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固定 的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强数 控系统的柔性和适应性。开放式数控系统的实现对数控系统制造商、机床生产商 以及最终用户都有较大益处。系统制造商可以专注于提高系统本身的性能，缩短 开发周期，降低开发费用。机床生产商可以自己解决面向用户的生产方案与系统 集成，最终用户不仅可以通过对系统特定功能模块的配置满足其个性需要，而且 对系统的二次开发也更方便、快捷 6 】。 1 1 1 国外研究的进展 目前，国际上与开放式数控研究相关的项目比较多，但是最具影响力的仍是 美国的o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计划以及日本的o s e c 计划，因而这三个计划的 发展现状基本上代表了国外开放性数控的发展现状【4 】【。7 1 。 ( 1 ) 美国的o m a c 计划 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划是美国的通用、福特和克莱 斯勒三大汽车公司从1 9 9 4 年开始启动的。该计划旨在发挥美国在计算机科学方面 的领先优势，使得制造商和用户都有了更大的主动性。 ( 2 ) 欧盟o s a c a 计划 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划 是1 9 9 0 年由欧共体2 2 家控制器开发商、机床生产商等联合提出的。该计划分三个 阶段：第一阶段完成了o s a c a 的规范和应用指南的制定；第二阶段主要开发了系 统平台的标准、通用的软件模块和通用的o s a c a 平台；第三阶段的使命是推广 2 硕卜学位论文 o s a c a 思想及前两个阶段的技术成果，使之成为自动化领域的国际标准。 ( 3 ) 日本o s e c 计划 日本o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划于1 9 9 4 年由东芝机器 厂及三菱电子等6 家日本公司联合提出。o s e c 的开放性指系统能满足用户对制造 系统不同配置的要求，最小化费用要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化人 机界面的要求。 以上三个计划分别相应提出了三个不同的标准化软件模块。目前，在世界范 围内还没有形成统一标准的硬件和软件平台以及标准的用户界面。 1 1 2 国内研究的进展 我国的数控技术经过近四十年的发展有了较大的进步，但目前的国内市场中， 中、高档产品主要被进口产品占据，而在较低档的经济型数控机床市场我国的产 品占据主要地位。随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相 关研究也越来越受到重视。经过多年的技术攻关，已经有一批产品和成果涌现出 来【8 1 。 1 、基于d o s w i n d o w s 平台的开放式数控系统 近几年，我国相继开发出了几种型号的开放式数控系统，包括有华中开发的 华中i 型( 图1 1 ) 、北航推出的c h 系列数控系统、珠峰公司的中华i 型以及南京四 开公司的蓝天( s k y ) 系列产品。这些数控系统的大部分产品基本都采用1 6 位或3 2 位 的工业p c 机，以d o s 为其操作系统。如其中c h 2 2 0 0 0 系列可多轴多通道自由配置， 可控制1 1 0 个通道，每通道2 8 轴联动，适用于车、铣、加工中心、f m s 与激光 切割等多种机床。系统具有向用户开放的扩展数控语言，允许用户进行二次开发。 基于西门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 图1 1 华中型数控系统框图 由于d o s 系统本身性能较差，因此基于d o s 的数控系统的功能和灵活性都受 到较大限制。目前，以上四大公司都有基于w i n 9 x n t 的数控系统产品面市，支持 在w i n d o w s 平台上进行二次开发。 2 、其他相关技术的数控系统研究近况【9 】 ( 1 ) 基于现场总线技术的开放式数控系统 现场总线技术是2 0 世纪9 0 年代计算机信息技术、网络技术和微电子技术在工 业控制领域所取得的一项重大的技术突破和应用。s e r c o s ( s e r i a lr e a lt i m e c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 是一种用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数 据交换协议，用于实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器i o 1 3 之间的实时数据通信。s e r c o s 接1 3 由一个主站( m a s t e r ) 和若干个从站( s l a v e ) 组 成，各站之间采用光缆联接构成环形网。北航已经成功地研发出基于s e r 2 c o s 技 术的c h 2 2 0 1 0 s 开放式数控系统。该系统的c n c 系统只由两块板卡组成，其中l 块 为8 0 4 8 6 或以上的工控p c 计算机母板，另1 块为s e r c o sm a s t e r 卡。c h 2 2 0 1 0 s 通过 s e r c o sm a s t e r 卡控制机床控制单元。s e r c o sm a s t e r 可以向机床控制单元发送如 下指令：伺服的工作方式选择( 主轴方式、进给轴方式和同步轴方式等) 、进给 轴位置、主轴转速、p l c 输出口状态；伺服和电机参数。同时可以从机床控制单元 读如下信息：进给轴位置实际值、主轴转速实际值、p l c 输入口状态、报警信息、 伺服和电机参数等。该数控系统配置框图如图1 2 所示。 4 硕 ：学位论文 图1 20 h 2 2 0 1o s 数控系统框图 该数控系统选用了w i n d o w s 3 2 或w i n d o w s 9 5 操作系统作为其开发的平台，同时 对操作系统作了实施控制功能扩充，使它能满足工业系统实时性要求。 ( 2 ) 基于面向对象的开放性数控系统【1 0 】 面向对象( o r i e n t e d o b j e c t ) 的思想方法是以对象和类作为软件开发的基石，模 块化思想贯穿了整个开发过程。对象作为类的应用特例，可以继承类的通用的属 性和操作，实现软件的可重用。因此采用面向对象的方法对数控软件进行分析， 可实现软件功能模块的抽象分离，并进而封装形成与功能对应的类，各种类最终 集成到数控软件的通用类库中。当根据实际情况需要对系统进行二次开发时，即 可提取所需的类生成对象，进行少许编程链接，迅速建立具体而实用的应用系统。 显然，这种思想方法用于数控软件上能较好地满足开放式数控系统的可重用性、 可扩展性及可重构性等要求。华中科技大学据此思想开发的软件芯片系统为应用 这种建模方法的代表性成果。该系统以模块作为基本芯片建立了软件芯片库，用 户可以方便地对芯片库进行重构、扩展工作，大大节省了二次开发的时间、费用 和难度。 上述基于面向对象技术的数控软件系统是一种导出式的开放方式，具有较高 的软件重用性，它可以免于对功能模块重复开发，已是一门较为成熟的技术。 1 2 开放式数控系统的类型 现在，实际用于工业现场的数控系统主要有以下三种类型，分别代表了数控 基于两门子8 1 0 d 的数控卞床改造的研究 技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从 封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 1 、“p c 嵌a n c ”结构的开放式数控系统，如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i n u m e r i k 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。这是一些数控系统制造商将多 年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具 有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控 系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。 2 、“n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统，它由开放体系结构运动控制卡和 p c 机共同构成【l l 】。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动 控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库 供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动 控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的 m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0c n c 等。 3 、s o f t 型开放式数控系统，这是一种最新开放体系结构的数控系统【l2 1 。它 提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分 仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装 各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用 开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前 几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生 命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。 其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的 p a 8 0 0 0n t 等。 1 3 本课题的提出及意义 目前，我国大多数机床行业使用的是西门子的数控系统，但是仅限于简单的使 用西门子的标准数控系统和浅层次的应用，因而不能满足高档设备特殊需求。这使 得西门子数控系统的性能不能充分发挥，同时也使得高档数控机床的效益不能得到 充分的发挥。 尽管西门子数控系统提供了开放式的数控平台，但是如何应用系统平台，调用 数控系统的内核，解决使用数控系统遇到的问题，开发出适合我国数控设备使用的 数控系统，还需要做大量的研发工作【1 3 】【1 4 】。充分利用西门子提供的开发工具，开发 6 硕 j 学位论文 自己的用户界面和实现特殊的加工工艺，开发系统的前端研究( 如图形化参数编程， 开发智能图形软件，c a d c a m 等方面的研究) ，后端系统研发( 包括使用具有自主 知识产权的电机和驱动，检测元件，反馈元件等其他设备) ，总之就是对系统进行二 次开发。为了进一步发挥西门子数控系统的性能，提高我国数控设备的档次，有必 要开展对西门子数控系统更深层次的研究，通过对其结构和系统硬件的分析，也可 以获得相关的重要的技术参数，进一步提高其应用水平( 如自适应控制、模糊控制、 神经网络等) ，开展对西门子系统扩展应用。 本课题主要是在西门子s i n u m e r i k8 1 0 d 平台上扩展主轴的功能，实现主轴 在大减速比、重载荷、超低速情况下的c 轴精确分度功能和其他一些特殊加工，提 高其性价比。通过安装在主轴上的圆光栅测量出主轴旋转的角度，并将测量值返回 到伺服系统进行比较，再由伺服系统经过计算差值重新输出反馈值，从而形成一个 全闭环的数控系统。同时可提高加工精度和效率，扩大该系统的适用范围，实现高 可靠性和高柔性加工。 1 4 本论文的主要思路 西门子公司开发的新一代经济性数控系统s i n u m e r i k8 1 0 d 是一种具有中低 档的价格，中高档的性能，性价比较高的数控系统【l5 1 。它的系统总线没有对外开放， 内核仅部分开放。所以本课题的主要技术关键在于如何完成在大减速比的情况下实 现主轴的精确分度功能，系统启动时主轴的震荡摆动问题的分析以及系统高阶状态 方程的仿真。从而实现系统外的扩展，也就是使该系统具有主轴c 轴分度的功能， 分度功能是在原有机床轴的基础上通过技术改造，实现机床对主轴的分度控制，在 西门子本身系统和脉冲伺服控制系统的共同控制作用下，实现对机床各运动的协调 控制，进而实现分度a n - v _ 功能和复合加工功能。 本论的主要内容： 1 、分析国内外开放式数控系统的相关研究，论述基于西门子s i n u m e r i k 8 1 0 d 平台进行二次开发的可能性和必要性。 2 、介绍了西门子s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统的硬件和软件结构。重点介绍 了数控系统的内部组成结构和s i m o d r i v e6 1 1 伺服驱动系统及其工作方式。 3 、重点介绍了基于d p s l 8 0 0 型车床的改造与分析。整个数控系统的改造可分 为机械部分改造和电器部分改造。同时介绍了系统主轴c 轴精确分度功能的实现 以及二次开发的技术支持。 4 、从机械原理及自动控制原理相关知识出发，分析主轴卡盘振动产生的原因， 基于两门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 建立系统的二阶微分方程。分析使二阶系统稳定时的参数取值范围。调整8 1 0 d 系 统参数设置，解决在大减速比、重载荷、超低速情况下启动时主轴卡盘震荡摆动的 问题。配合使用安装在主轴上的圆光栅，达到精确测量主轴分度的功能。从而使西 门子s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统和伺服驱动系统构成一个全闭环的数控系统，提 高了数控系统的加工精度，扩大了系统的适用范围。 5 、在二阶系统的基础上分析高阶系统模型，建立高阶系统状态方程。利用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件进行仿真，利用时域和频域特性分析控制系统的b o d e 和n y q u i s t 图，分析参数对高阶系统稳定性的影响。 6 、本文总结与展望。 硕士学位论文 第2 章8 1o d 数控系统的结构分析 s i n u m e r i k8 1 0 d 是一种具有免维护性能的操作面板控制系统，是西门子公 司针对中国市场进行性价比优化的产品。其核心部件c c u ( 数控驱动单元) 将m m c 、o p 以及i o 模块集于一体，具有无电池、无风扇、免维护等特点。该 系统具备中文界面的高质量显示面板，易于操作和编程。它可通过生产现场总线 p r o f i b u s 将驱动器、输入输出模块连接起来，控制六个数字进给轴和一个数字 或模拟主轴。驱动系统的模块化结构为各种应用提供了最大灵活性，并且易于安 装，可靠性高，布线费用低。该系统是用于控制各类车床和铣床的理想控制系统， 非常适合于车间级加工应用【1 4 】。 此外，s i n u m e r i k8 1 0 d 系统中还含有丰富多样的工艺循环，以铣床为例， 除了常用的钻孔、镗孔、铰孔、攻丝循环以外，还包含对线性排列孔和圆周排列 孔进行钻、镗、铰、攻丝的循环；端面铣削循环；轮廓铣削循环；圆形和矩形型 腔铣削循环；长孔铣削循环；圆周槽和圆弧槽铣削循环；螺纹铣削循环等多种铣 削循环的功能。s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统采用了当今先进的控制概念、适用于 钻削、铣削以及车削和磨削机床加工的控制。其能力涵盖了目前绝大多数大型、 特殊、高速、高精度加工机床的要求。 s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统建立在综合的系统平台上，通过系统设定功能而 适用于几乎所有的控制系统，8 1 0 d 与s i m o d r i v e6 11 数字驱动系统和s i m a t i c s 7 可编程序控制器一起，构成了一个全数字控制系统，用于各种复杂零件加工任 务，并优于其他系统的动态品质和控制精度。s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统采用开 放式系统理念，可以在数控核心部分使用标准开发工具而实现用户指定的系统循 环和编制用户所需特殊的界面【1 6 】。 2 1sin u m e rik8 1o d 数控系统的内部结构 s i n u m e r i k8 1 0 d 系统中的核心部件c c u ( 数控驱动单元) ，c c u 单元内部集 成了数控核, i 二, c p u 和s i m a t i cp l c 的c p u 。包括s 烈u m e r i k8 1 0 d 数控软件和p l c 软件，带有m p i 接口，手轮及测量接口。更集成了s i m o d r i v e 驱动的功率模块。8 1 0 d 系统将数控驱动单元c c u ，m m c ，o p 模块以及p l c 集成于一体，提高了其可靠性、 而且便于安装。s i n u m e r i k8 1 0 d 可控制六个进给轴和一个数字或模拟主轴。通过 现场总线将驱动模块、输入输出模块连接起来。模块化的驱动装置s i m o d r i v e6 1 1 d 配套1 f k 6 系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软 9 基于两门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。s i n u m e r i k 8 1 0 d 集成了内置p l c 系统，对机床进行逻辑控制。采用标准的p l c 编程语言 m i c r o w i n 进行控制逻辑设计。并且随机提供标准的p l c 子程序库和实例程序，简 化了制造厂设计过程，缩短了设计周期【1 7 1 。 s i n u m e r i k8 1 0 d 数控系统是西门子公司针对车床和铣床开发的中高档数控 系统。其中c c u 为8 1 0 d 数控系统的核心，通过p r o f i b u s 总线可与输入输出模块、 伺服驱动模块连接，通过c o m i 、手轮、键盘、等插座可实现c c u 与其他部件的连 接和数据交换，其结构如图2 1 所示。 图2 18 1 0 d 系统结构图 8 1 0 d 系统内置了s i m a t i cs 7 3 0 0 型p l c 1 8 】。p l c 是一种可编程控制器件，也 可以称之为工业专用计算机，其采用面向用户的指令。通过运行用户按要求编制 的控制程序来实现c n c 系统、伺服系统与机床的联机，以完成机床的操作显示、 运行控制、监控机床故障等功能。s i m a t i cs 7 3 0 0 其大量功能支持用户进行编程、 启动和维护。s 7 3 0 0 具有高速的指令处理能力，0 6 o 1 m s 的指令处理时间在中等 到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域【19 1 。浮点数运算，可以有效地实 现更为复杂的算术运算。方便用户的参数赋值，一个带标准用户接口的软件工具 给所有模块进行参数赋值。显示单元( o p ) ，方便的人机界面服务已经集成在操作 1 0 硕十学伊论文 系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。s i m a t i c 人机界面从s 7 3 0 0 中提取数 据，s 7 3 0 0 按用户指定的刷新速度传送这些数据，s 7 3 0 0 操作系统能自动地处理数 据传送。诊断功能，c p u 智能化的诊断功能，连续监控系统是否正常运行、记录 错误和特殊系统事件( 例如：超时、模块更换等等) 。多级口令保护可以使用户高 度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改【2 0 1 。 从系统结构组成以及图2 1 可以看出，s i n u m e r i k 8 1 0 d 系统中各模块的相对 独立使得该数控系统的各项功能更加强大，突出表现为【1 4 】： 1 、模块化结构，使得用户可根据各自的控制需求来选择系统各个单元的构成， 在满足用户要求方面具有更大的灵活性。更容易满足各类机床的控制要求。 2 、窗口式的界面、菜单选择、对话框式的操作，更加简单易学。并且各部分 工作可并行执行。 3 、蓝图编程功能，使得加工程序可用机床工具直接编程，修改程序更加方便 快捷，并能对加工程序进行模拟加工显示。 4 、强大的网络能力，系统提供各种不同的接口使数控机床可与其他数控机床 ( 采用西门子系统) 或计算机联网，从而有利于无人工厂的建立【2 l 】【2 2 】。 5 、集合了c p u 、p l c 、o p 和通讯等模块的c c u 可扩展数字式的s i m o d r i v e 6 11 d 伺服驱动系统，控制轴数更多，精度更高、速度更快。 6 、系统提供了一定的i o 端口，可通过总线进行远距离控制。这不仅增强了系 统的扩展能力，同时可提高生产和管理的效率。 2 2s ln u m e r ik8 1 0 d 数控系统的性能及工作方式 前面讲述了8 i o d 系统的内部组成，通过各部分的组成关系可以看出8 1 0 d 系统 具有很强的通用型以及二次开发的能力，各模块间的灵活搭配使得该数控系统能 运用到很多机械加工领域【2 3 1 。其主要突出的性能指标有： l 、c n c 功能。数控系统可以控制车床、钻铣床等机床。其可以控制六个进给 轴和一个数字或模拟主轴的同时保证三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、 螺旋线插补、空间圆弧( c i p ) 插补等控制方式。系统可以进行螺纹加工、变距螺 纹加工等加工方式。并且能满足旋转轴控制、端面和柱面坐标转换( c 轴功能) 、 前馈控制、加速度突变限制、刀具寿命监控、主轴准停控制、刚性攻丝、恒线速 切削、f r a m e 功能( 坐标的平移、旋转、镜象、缩放) 。 2 、显示和操作。系统采用标准t f t 液晶显示器，全p c 键盘操作。可连接机床 控制面板、手持操作单元、软盘驱动器等。在操作使用上，其系统用户界面分成 基于两门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 五个工作区，即：机床、参数、程序编辑、服务、诊断。 机床工作区有自动、手动、m d a ( m a n u a li n p u t ) 三种操作模式，可实现手动 操作、自动程序运行、刀具轨迹模拟等多种操作。 参数区可设定如工作台面大小、刀具补偿参数等操作。操作者在工作中根 据加工零件及工序的不同可以改变参数。 程序编辑区可输入、修改、模拟显示零件加工程序，并对用户程序存储区 进行管理。 服务区管理系统与外设的接口、软盘驱动器，可通过这些接口连接外部计 算机或通过软驱与外界交换数据。 诊断区可显示一定时间内，系统的故障信息，并为系统技术人员提供修改 机床参数、诊断系统故障、调整系统总体性能的工具。 3 、轴的控制。连接s i m o d r i v e6 1 l 数字伺服系统，其可控制六个数字进给轴 和一个数字或模拟主轴【2 4 】。其工艺特性： 控制精度0 0 0 1 r a m 进给速度0 0 l m m m i n 一1 0 0 0 0 m m i n 主轴转速0 1 r p m 一9 9 0 0 0 r p m 进给倍率o 1 2 0 ( 内部0 1 5 0 ) ，快速进给倍率2 0 0 4 、p l c 编程。s 7 3 0 0p l c 采用s t e p7 编程语言，可用s t l ( s t a t e m e n tl i s t ) ， l a d ( l a d d e rd i a g r a m ) ，c s f ( c o n t r o ls y s t e mf l o w c h a r t ) 三种方式在p c 机上编程。 p l c 具有4 0 个定时器，3 2 个计数器，其处理速度是6 0 0 0 步2 4 毫秒。s 7 3 0 0 型p l c 的输入输出点数是通过扩展模块的方式实现的，其最多可以有四个机架，每个机架 最多可以插8 个输出模块【2 5 】。 5 、刀具管理。s i n u m e r i k8 1 0 d 系统的刀具功能是比较有特色的地方，与其 他数控系统不同的是，它并不是每一个刀号只能对应一个刀具半径值和一个刀具 长度值，而是在每一个刀具号下面最多可以存储9 组刀具补偿值每个刀具号( t 号) 下面包含了9 个刀沿号( d 号) ，每个刀沿中都可以单独存储一个刀长补偿值 和一个刀具半径补偿值【2 6 1 。这样做的好处是可以为每把刀具设定多个刀偏值，分 别用于粗加工、半精加工以及精加工，却不必担心由于占据了多个d 号而与其他的 刀具发生混乱。另外，如果在加工过程中发生刀具损坏而被迫更换新的刀具时， 确定新刀具的刀具长度和刀具半径补偿值也不是什么难事，只要能够在工件上找 到确定的坐标位置，就可以在手动加工方式下，使用具有图形辅助的“测量刀具 功能，重新建立新刀具的刀具长度和半径补偿值。 1 2 硕十学何论文 在手动加工方式下，另一个很实用的功能是“测量工件”。使用这个功能需 要预先测量好用来进行对刀的刀具的长度和半径值，将其输入刀具参数列表，并 激活为当前刀具。然后在具有图形辅助的向导模式下，选择想要设定的工件坐标 系号码，输入必要的数值，系统便会自动计算并输入所选工件原点的偏移值【2 7 1 。 6 、安全与诊断 整个c n c 系统可对其各部分的运行进行实时监控，当有故障发生时，系统除 对相应部分进行保护外，并可进行自我诊断，在显示器上显示报警信息。同时增 加了安全锁，可对用户分级，对各级用户赋予不同的操作【2 8 】。 2 3 控制系统总体结构 根据机床的控制要求充分利用西门子8 1 0 d 系统的结构特点，进行整个控制系 统的总体结构设计。在设计中，尽量利用系统提供的各项功能，简化了外围控制 线路，提高了整个系统的稳定性和可靠性【2 9 】 3 0 1 。 整个控制系统可分成c c u 系统、机床操作及电气控制系统、伺服驱动系统等 几个重要部分，其总体结构如图2 2 。从图中可以看出，c c u 系统集成了m m c 、 p l c 、o p 和通讯等模块功能，及其接口和系统操作显示单元。它承担了系统启动、 操作显示、与外设通讯、数据存储、逻辑控制等重要任务。是整个控制系统的核 心。其中输入输出模块是p c u 系统与外部协调工作的一个重要接口，它通过内部 总线接收c n c 的指令或向其传送信息，或由各输入单元接收机床操作指令、监控 机床的状态，并根据这些输入信息运行事先编制好的机床动作逻辑程序，将结果 送c c u 或由其他输入单元上的输出口直接驱动电气控制系统执行相应动作，同时， 将相关信息送h m i 进行实时显示。 西门子提供标准机床控制面板及手持单元，通过专用数据线与c c u 相连，通 过该面板，可选择c c u 系统三种工作状态，即：手动、自动、示教。并具有轴选 择、倍率、快速倍率、点动、回参考点、断点返回、进给、进给保持，主轴启、 停，系统启动、停止、复位及多个自定义键供用户根据机床自己定义用途。电气 控制系统通过i o 接口板与p l c 相连，完成机床操作指令的输入并根据p l c 发出的 指令实现机床各种动作。 基于两门子8 1 0 d 的数控车床改造的研究 图2 28 1 0 d 控制系统图 s i m o d r i v e6 1 1 是一种模块化晶体管脉冲变频器，可以实现多轴以及组合驱 动解决方案【2 引。使用s i m o d r i v e 可以提供根据驱动任务而量身定做的灵活而经济 的驱动解决方案。s i m o d r i v e6 1 1 由几个功能模块组成。电源馈电模块可以提供 最大1 2 0 k w 的总功率。s i m o d r i v e6 1 1 u 6 1 1 d 是一种功能强大并且可以灵活配置 的伺服驱动系统，该伺服系统是西门子公司为数控机床研制的一种交流数字变频 调速伺服系统。它采用模块式结构，由一个主电源模块及各轴的控制模块组成。 用户可以根据不同的应用场合要求，组合选择不同的配置，形成各种不同的应用 系统。s i m o d r i v e6 1 1 u 6 1 1 d 可以与s 1 n u m e r i k8 1 0 d 8 4 0 d 数控系统组合，也 可以与s i n u m e r i k8 4 0 i 数控系统组合使用【3 。 s i m o d r i v e6 1 1 u 与6 1 1 d