本文結(jié)合實(shí)踐中的具體實(shí)例，對(duì)西門子840D數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件的基本組成及其應(yīng)用進(jìn)行了介紹。 1 引言 在制造業(yè)現(xiàn)代化的今天，生產(chǎn)的高效率和產(chǎn)品的高質(zhì)量要求使得一些高精度數(shù)控機(jī)床和高性能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也使許多普通機(jī)床和傳統(tǒng)工藝難以解決的問(wèn)題變得相對(duì)簡(jiǎn)單了一些，使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也有很大程度的保證。我公司的玻璃數(shù)控鉆孔機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)采用了西門子公司的SINUMERIK 840D系統(tǒng)，在使用過(guò)程中高精度的產(chǎn)品質(zhì)量和極低的故障率（主要取決于清晰的可視化報(bào)警信息，使得故障能夠迅速排除）贏得了客戶對(duì)此系統(tǒng)的信任。下面對(duì)SINUMERIK 840D系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹如下： 2 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成 此設(shè)備用于玻璃的鉆孔加工，如圖1所示，整個(gè)機(jī)加上有兩根平行的橫梁，兩對(duì)鉆軸分別安裝在由4個(gè)位置電機(jī)帶動(dòng)可左右移動(dòng)的固定板上，每塊固定板分別由固定在橫梁上下的兩個(gè)直線導(dǎo)軌滑塊與固定板連接在一起，鉆軸的左右移動(dòng)由固定在固定板上的位置電機(jī)M1,M2,M3,M4通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)鉆軸沿Y方向左右移動(dòng)。每個(gè)鉆軸的內(nèi)部由兩個(gè)電機(jī)組成,靠近鉆頭的電機(jī)（M7,M9,M11,M13）帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆軸的另外一個(gè)電機(jī)（M6,M8,M10,M12）通過(guò)電機(jī)內(nèi)部的絲杠螺母副將電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為軸向升降運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)鉆頭作上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即Z向運(yùn)動(dòng)。玻璃定位時(shí)首先由X方向定位裝置（此裝置在圖中未畫(huà)出，其方向?yàn)榇怪庇诩埫娴姆较?，裝置的運(yùn)動(dòng)由X方向位置電機(jī)M5驅(qū)動(dòng)）將玻璃推至準(zhǔn)確位置，各鉆軸沿Y方向移動(dòng)至正確位置，下鉆頭上升，開(kāi)始鉆玻璃的下平面，鉆至設(shè)定的深度，下鉆頭退回，然后上鉆頭下降鉆玻璃的上平面，鉆至設(shè)定的深度后退回。此設(shè)備可同時(shí)對(duì)兩個(gè)孔進(jìn)行加工。 [align=center] 圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成圖[/align] 3 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng) 3.1 硬件部分 SINUMERIK 840D采用特殊的三CPU結(jié)構(gòu)：人機(jī)通信CPU、數(shù)字控制CPU（NC-CPU）和可編程邏輯控制器CPU（PLC-CPU）。如圖2所示MMC-CPU在OP012人機(jī)界面內(nèi)，NC-CPU和PLC-CPU集成在NCU572內(nèi)。 [align=center] 圖2 840D數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成[/align] 3.1.1 NCU數(shù)字控制部件 以NCU572為核心，電源模塊采用SIMODRIVER 611D，電源模塊主要為NCU和給611D數(shù)字驅(qū)動(dòng)提供控制和動(dòng)力電源，產(chǎn)生母線電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)電源和模塊的狀態(tài)。后面有三個(gè)進(jìn)給模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)總線接口與NCU572掛接，數(shù)控和驅(qū)動(dòng)的接口信號(hào)為數(shù)字量，分別驅(qū)動(dòng)兩對(duì)鉆頭的Y方向位置電機(jī)（M1,M2,M3,M4）和X方向位置電機(jī)M5。同時(shí)NCU572又通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與OP012人機(jī)界面、S7-300PLC及控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器連接在一起。 3.1.2 MMC人機(jī)通訊 人機(jī)通訊是數(shù)控系統(tǒng)和人進(jìn)行信息交流的通道。包括: OP（Operation Panel）和MMC。 （1） OP012 操作面板 OP（Operation Panel）單元由一個(gè)12.1″TFT顯示屏和一個(gè)NC鍵盤組成。人機(jī)界面OP012采用Windows 95作為操作平臺(tái)，使操作簡(jiǎn)單、靈活，易掌握。生產(chǎn)過(guò)程中的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的變更和各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，在OP012上清晰可見(jiàn)，其軟件內(nèi)容豐富功能強(qiáng)大。 （2） MMC計(jì)算機(jī) MMC實(shí)際上是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它有自己獨(dú)立的CPU，還可以帶硬盤，帶軟驅(qū)。OP單元正是這臺(tái)計(jì)算機(jī)上的顯示器，而西門子MMC的控制軟件也在這臺(tái)計(jì)算機(jī)中。 3.1.3 PLC模塊 SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的PLC部分使用的是西門子SIMATIC S7-300的軟件及模塊。其電源由西門子SITOP電源（40A）提供，接口模塊IM361是用于級(jí)之間的互連。它通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線與NCU572連接。在IM361右側(cè)為信號(hào)模塊，信號(hào)模塊是用于PLC輸入/輸出的模塊，有輸入型和輸出型兩種。即輸入模塊SM321和輸出模塊SM322。PLC的CPU與NC的CPU是集成在NCU中的。設(shè)備上的各種光電開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)的輸入和電磁閥、接觸器的輸出信號(hào)分別與輸入和輸出模塊相連，控制各種外部執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)動(dòng)作。 3.1.4 各部分相互連接 NCU數(shù)控單元是CNC控制部件的核心，它與MMC、伺服電源模塊、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)連接。本系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制，伺服電機(jī)采用1FK型內(nèi)置編碼器電機(jī)，通過(guò)伺服電機(jī)編碼器作為位置檢測(cè)元件，將位置信號(hào)反饋至數(shù)字驅(qū)動(dòng)模塊（611D）的位置接口X411，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃鉆孔孔位的精確定位控制。在鉆孔時(shí)為確保上下鉆頭的同心度（即上下鉆頭中心重合），在四個(gè)位置電機(jī)移動(dòng)的Y方向上設(shè)置了四個(gè)行程開(kāi)關(guān)，作為四個(gè)鉆軸的參考點(diǎn)位置。在打開(kāi)機(jī)器電源后，需要對(duì)各鉆軸進(jìn)行參考點(diǎn)復(fù)位動(dòng)作，即給各鉆軸的編碼器賦值（剛打開(kāi)電源時(shí)各編碼器的值均為零。在進(jìn)行參考點(diǎn)復(fù)位時(shí)，鉆軸運(yùn)行到行程開(kāi)關(guān)的位置時(shí)，編碼器的值變成系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的參考點(diǎn)的值）。當(dāng)上下鉆頭出現(xiàn)位置偏差時(shí)，在系統(tǒng)的軟件內(nèi)還設(shè)置了誤差補(bǔ)償量，通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償量可以很方便的將偏差糾正過(guò)來(lái)。 3.1.5 其他硬件部分 如前所述，每一個(gè)鉆軸內(nèi)部由兩個(gè)電機(jī)組成，即鉆頭的旋轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給。4臺(tái)軸向進(jìn)給的電機(jī)由4臺(tái)SIEMENS MASTERDRIVE MC變頻器分別控制（每個(gè)鉆軸一個(gè)），變頻器的控制信號(hào)來(lái)自NCU572，通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞。4個(gè)鉆軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的速度由一臺(tái)SIEMENS MM440變頻器控制，各電機(jī)旋轉(zhuǎn)的啟動(dòng)停止分別由各自的接觸器（在變頻器和電機(jī)之間）單獨(dú)控制。變頻器的控制信號(hào)也是來(lái)自NCU572，通過(guò)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞。鉆頭的進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度均可根據(jù)玻璃厚度和工藝條件在MMC內(nèi)選擇。在進(jìn)給電機(jī)尾部有內(nèi)置編碼器來(lái)測(cè)量鉆頭進(jìn)給深度。內(nèi)部有原點(diǎn)光電開(kāi)關(guān)作為鉆頭的原點(diǎn)（參考點(diǎn)）位置。 3.1.6 數(shù)控系統(tǒng)與PC的連接 因PLC-CPU和NC-CPU集成在NCU572內(nèi)，在進(jìn)行PLC和NC程序調(diào)試時(shí)，可將PC與NCU572連接，即可對(duì)程序進(jìn)行修改和調(diào)試。 3.2 軟件部分 SINUMERIK 840D軟件系統(tǒng)包括4大類軟件：MMC軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信及驅(qū)動(dòng)接口軟件。 3.2.1 MMC軟件系統(tǒng) 在MMC103系統(tǒng)上帶有10GB的硬盤，內(nèi)裝有基本輸入、輸出系統(tǒng)（BIOS），DR-DOS內(nèi)核操作系統(tǒng)、Windows95操作系統(tǒng)，以及串口、并口、鼠標(biāo)和鍵盤接口等驅(qū)動(dòng)程序，支撐SINUMERIK與外界MMC-CPU、PLC-CPU、NC-CPU之間的相互通信及任務(wù)協(xié)調(diào)。 3.2.2 NC軟件系統(tǒng) NC軟件系統(tǒng)包括下列內(nèi)容： （1） NCK數(shù)控核初始引導(dǎo)軟件 該軟件固化在EPROM中。 （2） NCK數(shù)控核數(shù)字控制軟件系統(tǒng) 它包括機(jī)器數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)子系統(tǒng)，用戶必須理解每個(gè)循環(huán)程的參數(shù)含義才能進(jìn)行調(diào)用。 （3） SINUMERIK 611D驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù) 它是指SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)所配套使用的SIMODRIVE 611D數(shù)字式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。 3.2.3 PLC軟件系統(tǒng) PLC軟件系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)支持軟件和PLC程序。 （1） PLC系統(tǒng)支持軟件 它支持SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝的CPU-315-2DP型可編程邏輯控制器的正常工作，該程序固化在NCU內(nèi)。 （2） PLC程序 它包含基本PLC程序和用戶PLC程序兩部分。 3.2.4 通信及驅(qū)動(dòng)接口軟件 它主要用于協(xié)調(diào)PLC-CPU、NC-CPU和MMC-CPU三者之間的通信。 4 結(jié)束語(yǔ) SINUMERIK 840D，它在復(fù)雜的系統(tǒng)平臺(tái)上，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定而適于各種控制技術(shù)。840D與SINU-MERIK_611數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和SIMATIC S7可編程控制器一起，構(gòu)成全數(shù)字控制系統(tǒng)，它不僅僅應(yīng)用在鉆孔機(jī)上，而是應(yīng)用于機(jī)械加工設(shè)備及各行各業(yè)的設(shè)備控制系統(tǒng)中，西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今世界較為先進(jìn)控制系統(tǒng)，其體積小，，功能強(qiáng)，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，倍受用戶的青睞。其全數(shù)字化的系統(tǒng)、革新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、更高的控制品質(zhì)、更高的系統(tǒng)分辨率以及更短的采樣時(shí)間，確保了一流的工件質(zhì)量。同時(shí)也使它在各行各業(yè)的數(shù)控設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。