【摘要】介绍SIEMENS 840D系统改造机床的硬件配置、软件编程思路及改造曲轴内铣机床的主要特点和难点。
【关键词】840D系统、曲轴内铣机床、FMNC、PLC
1、引言
2、机床结构
机床的配置为：直线轴U、V、 Z、W和旋转轴C。其中V和Z轴为关联轴（即V轴安装在Z轴上），U和W轴为关联轴。用来加工四缸曲轴的连杆颈。机床带有一台上下料机械手（三轴），根据自动线及机床的状态在需要时进行自动上下料。
四缸曲轴图
3、系统硬件构成 系统硬件配置图
的HEIDENHAN LS704测量系统。机械手保留原有的Itramat驱动器、电机及测量系统，以FM-NC控制。FM-NC通过PROFIBUS总线与840D系统连接，并进行通讯。通过PLC程序处理，机械手的操作与机床同步，轴的控制在机床操作面板进行。
4、系统软设计
系统软件设计包括PLC程序设计和NC程序设计两部分。
4．1 PLC程序设计
PLC程序设计采用模块化编程，将机床启动条件、PLC使能信号处理、轴
控制、辅助功能、FMNC与840D的通讯处理、报警信息等系统及机床功能编制成不同的模块。程序结构合理、层次清晰，方便阅读查找。在编程中主要解决了下面几个难点问题。
4.1.1机床的Z轴和W轴之间没有限位开关，两轴之间防撞只能通过软件
实现。编程思路如下：通过PLC读取NC变量，取得Z轴和W轴的坐标值，当Z轴坐标值为负时，Z轴进入卡盘区，无碰撞可能；当Z轴坐标值为正时（右移），Z、W轴坐标值之差的绝对值越大则Z、W轴靠的越近（注：W轴向左为负方向），当超过设定的防碰撞值时，系统报警。程序如下：
A M 256.0
AN DB34.DBX 64.7
S DB2.DBX 150.0 ；超程时报警
…
CALL FB 2 , DB121
…
NumVar :=2 … … RD2 :=MD244 ；W轴坐标值
…
A DB33.DBX 60.5 ；Z轴同步
A DB34.DBX 60.5 ；W轴同步
JCN NOCP
L
p; MD 240
L 0
>R
JCN zlqz ；Z轴坐标值为负时，无碰撞可能
L MD 240
L MD 244
-R
T MD 248
L MD 248
ABS
T MD 252
L MD 252
L DB81.DBD 40 ；设定的防撞值
>=R
= M 256.0 ；两轴坐标值的绝对值超过设定值时报警数据字
zlqz: NOP 0动运行到规定的上下料位置。编程思路如下：根据机床的结构，确定各轴的动作顺序，先运行U、V轴到刀盘的中心，再运行Z、W轴到各自的卡盘区内，最后C轴旋转到上下料位置。编程中各轴的移动通过分别调用FC15实现，以U轴为例，程序如下：
CALL FC 15
Start :=M200.1 ；满足U轴移动条件
AxisNo :=1 ；选择U轴
…
Pos :=DB81.DBD0 ；目标位置
FRate :=DB81.DBD4 ；运行速度
InPos :=M201.0
Activ :=M201.1
StartErr:=M201.2
Error :=M201.3
机床对机械手的控制
由于机械手FMNC没有操作面板，对FMNC的控制主要通过机床操作面板执行。机械手可以与机床联动自动运行，也可以单独操作。通过PLC编程，当机床选择各种运行方式时，FMNC通过PLC NC 接口数据也选择了与之相同的运行方式，然后只要通过机械手按钮盘上的选择开关选择运行方式即可确认机械手的运行方式。部分程序如下：
…
A I 50.0 ；机床自动方式
A I 1.5 & nbsp; ；面板旋钮
= DB11.DBX 0.0 ；FMNC自动方式
A I 50.1 ；复位
= I 121.7 ；复位键
A I 50.2 ；机床手动方式
A I 1.4 ；面板旋钮 A I 50.3 A I 50.4
= DB11.DBX 1.6 ；Single block
A I 50.5
O I 5.2
A I 1.5
A I 50.0
= DB21.DBX 7.1 ；NC Start
A I 50.6
O I 9.7
A I 1.5
A I 50.0
= DB21.DBX 7.3 ；NC Stop
…
NC程序的编制
编制加工程序首先应熟悉机床的加工过程，然后根据机床的结构及铣削原
理建立数学模型。然后在其基础上加上其它辅助功能，编制成NC程序。
4.2.1 加工过程
机床卸载，U、V轴到零位，Z、W轴回到原位，C轴旋转到零位，之后，装工件并夹紧。Z定位到4连位置，同时W定位到3连位置。U和V带动刀盘靠近曲轴。按照加工公式的轨迹，U、V轴和C轴进行插补，C轴旋转一周（实际要大于360度，为保证曲轴表面的光洁度）。U、V再退回到零位，C轴退回零 位，之后Z再定位到2联位置，同时W定位到1联位置。U和V带动刀盘靠近曲轴。按照加工公式的轨迹，U、V轴和C轴进行插补，C轴旋转一周，完成轴颈铣削。U、V轴先到零位，Z、W轴回到原位，C轴旋转到零位。加工结束。
4.2.2 数学模型建立
内铣加工示意图如下：R1为刀盘半径,
R2中心距（主轴颈中心到连杆颈中心的距离，即发动机的冲程）
r1 为曲轴连杆颈半径。
为保证C轴带动曲轴旋转时刀盘始终与曲轴相切,U/V轴的轨迹应为:
U=f(a) U为直线轴的插补位置, a为C轴旋转角度。
在由刀盘中心、主轴颈中心、连杆颈中心组成的结构进一步推导可得出U、V轴坐标值与C轴旋转角度的关系。
4.2.3 编制NC程序
编程时考虑到工件的样板尺寸（由Z、W轴位移决定）、中心距、180°等重要工艺指标需要经常调整，对以上数据采用R参数的形式，以便于修改。主程序采用程序调用的方法。由四个程序分别进行计算，列出四个连杆C轴每转一度对应的U、V轴的坐标值。这样做虽然繁琐，但因为使用了R参数，当改换产品时，只需修改R参数，非常方便。同时，因为主程序中运用了跳转指令，在没有修改加工参数时，避免了每次都要进行很多复杂的数学运算而影响系统运行速度。
加工时U、V、C为插补关系，部分加工程序如下：
…
C=108 U=R108 V=R508
…
其中R10
8、R508为R参数，按加工轨迹公式生成。
部分公式如下：
；R190 ;C轴旋转角度
;R191 ;中心距 ;R193 ;刀盘半径
…
5、结束语
改造后的机床铣削精度高，可靠性好，抗干扰能力强，操作方便。我们通过修改R参数及NC程序，使机床可以加工复杂的拐位相差60°六连杆曲轴，提高了曲轴铣削的成功率，从而降低了成本，具有很高的经济价值。可以预见，840D数控系统在机床改造领域的应用将越来越广泛，越来越完美。
参考文献
2、SINUMERIK 840D/810Di/FM-NC 操作手册 SIEMENS 2002年
3、SINUMERIK 840D/ Installation&Start-up Guide SIEMENS 2001年
