CN104375461B - 用于控制两个模拟量主轴的数控系统及控制方法 - Google Patents

用于控制两个模拟量主轴的数控系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，包括SINUMERIK 808D系统和第一模拟量主轴驱动器，所述SINUMERIK 808D系统内的系统软件由NC加工程序和PLC程序构成，其特征在于设有第二模拟量主轴驱动器和信号转换模块，第二模拟量主轴NC加工程序通过嵌入的自定义M代码控制主轴启动、停止，同时，第二模拟量主轴PLC程序将NC指令中的转速数值转换为数字量，通过数字量输出至信号转换模块的输入点，在信号转换模块内的PLC程序将数字数值转换为模拟数值，再通过模拟量输出给第二模拟量主轴驱动器，在加工过程中不需要额外的人工控制，既能提高控制精度，又能提高生产效率，节约人工成本。

Description

用于控制两个模拟量主轴的数控系统及控制方法
技术领域
本发明涉及数控机床技术领域，具体地说是一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统及控制方法。
背景技术
目前，现有的西门子SINUMERIK 808D数控系统最多配置1个模拟量主轴，如果在应用时需要配置两个模拟量主轴时，808D系统无法满足要求，第二模拟量主轴的转速只能人为的通过电位器旋钮或按键来控制，不仅控制精度低，而且人为手动控制也达不到数控机床自动化控制的要求。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、提高控制精度和加工精度、提高生产效率，节约人工成本的用于控制两个模拟量主轴的SINUMERIK 808D系统及控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，包括SINUMERIK 808D系统和第一模拟量主轴驱动器，所述SINUMERIK 808D系统内的系统软件由NC加工程序和PLC程序构成，其特征在于设有第二模拟量主轴驱动器和信号转换模块，所述SINUMERIK 808D系统的NC加工程序包括第一模拟量主轴NC加工程序和第二模拟量主轴NC加工程序，所述SINUMERIK 808D系统的PLC程序包括第一模拟量主轴PLC程序和第二模拟量主轴PLC程序，所述第一模拟量主轴PLC程序将第一模拟量主轴NC加工程序的NC指令通过模拟量输出模块与第一模拟量主轴驱动器相连接，所述第一模拟量主轴驱动器驱动第一模拟量主轴动作，以自动控制第一模拟量主轴的启动或停止，所述第二模拟量主轴NC加工程序通过嵌入的自定义M代码控制第二模拟量主轴启动、停止，并使用R参数代替S转速指令，同时，第二模拟量主轴PLC程序将NC指令中的转速数值转换为数字量，通过数字量DI/DO输出至信号转换模块的输入点，在信号转换模块内的PLC程序将数字数值转换为模拟数值，再通过模拟量AI/AO输出给第二模拟量主轴驱动器，所述第二模拟量主轴驱动器驱动第二模拟量主轴的启动或停止，解决了使用控制精度差的电位器控制的实质性不足，摒弃了采用电位器时在数控系统的人机界面直接输入编程指令的方式来控制第二模拟量主轴的转速和方向，不但达到了使用SINUMERIK808D数控系统同时自动控制两个模拟量主轴的功能，而且，还大大提高了控制精度和加工精度。
本发明所述信号转换模块具有模拟量输出点和数字量输入点，且所述模拟量输出点可输出-10V～+10V电压，所述数字量输入的点数与指令转速相对应。
本发明还可在第二模拟量主轴上设有测速仪，所述测速仪与第二模拟量主轴PLC程序相连接，以利于通过测速仪对主轴进行实时测速，并将测得的误差值上传至第二模拟量主轴的PLC程序中进行调整，第二模拟量主轴的PLC程序将调整后的更精确的指令信号通过信号转换模块传输给第二模拟量主轴驱动器，以达到更加精确的驱动第二模拟量主轴的转速控制。
本发明所述SINUMERIK 808D系统是基于操作面板的紧凑型数控系统SINUMERIK808D车削和 SINUMERIK 808D 铣削，配置SINAMICS V60驱动系统和SIMOTICS 1FL5伺服电机，应用于普及型数控车床、数控铣床及立式加工中心。
本发明所述SINUMERIK 808D系统软件设计的 NC加工程序中的第二模拟量主轴的正反转和停止指令应用系统的自定义M代码功能来实现，在控制过程中，用M23指令控制主轴正转，M24指令控制主轴反转，M25指令控制主轴停止。选取R参数R2来定义和存储主轴转速指令，NC程序示例如下：
R2=200 //设置主轴转速为200rpm
M23 // 主轴正转
G91G01X100F500 //X轴直线运行100mm
M25 //主轴停止
R2=100 //设置主轴转速为100rpm
M24 //主轴反转
G4F3 //暂停3秒
M25 //主轴停止
本发明所述SINUMERIK 808D系统中的PLC程序主要增加了第二模拟量主轴的启动停止控制和转速指令的转换控制，第二主轴启动停止指令的PLC程序中，NC指令M代码执行后传送到SINUMERIK 808D系统中的PLC程序中，具体控制步骤为：PLC程序处理后通过I/O点将指令输出至驱动器，因第二主轴转速存储在R参数中，所以首先PLC程序是利用系统功能读取R参数中的速度数值，设 DB1200.DBB1为1，读/写变量的数量为1，DB1200.DBB1000设为5，选择读取的数据类型为R参数，DB1200.DBB1002设为3，读取的R参数号+1,即读取的是R2，读取的R参数数值存储在PLC中的存储空间MB40中，通过PLC的I/O点，将MB40中的数字量信号输出，输出的数字量信号传送给CPU224XP模块的数字量输入点后，在CPU224XP模块中，将数字量信号转换成模拟量信号后通过模拟量输出点AO输出给驱动器，这样第二模拟量驱动器就能按照NC指令的转速运行，另外，使用测速仪对主轴测速，将误差值在PLC程序中进行调整，以达到对主轴更精确的转速控制。
本发明所述信号转换模块可选用S7-200模块 CPU224XP，S7-200模块只是在研究中选取的一个样例模块，也可以采用其他模块代替，其信号转换模块的选择遵循两个要点，第一是必须具备模拟量输出点，能输出-10V～+10V电压；第二就是数字量输入的点数要跟指令转速对应起来。我们在进行NC加工编程时，主轴转速一般设为整数,这个数值可以用二进制表示，例如指令R2=200时，二进制表示为：11001000，在数值转换时，8个输入点最高设置转速数值为28=256，有8个输入点就能满足要求，如果主轴转速最高1000RPM时就需要210=1024,即10个输入点来处理，以此类推，选取出最高转速对应的模块。
本发明所述驱动器用于驱动电机的功率模块，为带模拟量控制接口的变频器或是伺服驱动器。
本发明的有益效果：摒弃控制精度差的电位器控制方式，采用在数控系统人机界面直接输入编程指令的方式来控制第二模拟量主轴的转速和方向，在加工过程中不需要额外的人工控制，既能提高控制精度，又能提高生产效率，节约人工成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是M代码控制正反转PLC程序示意图。
图3是读取R参数示意图。
图4是SINUMERIK 808D系统的PLC输出数字量信号示意图。
图5是信号转换模块的CPU224XP程序处理示意图。
附图标记：SINUMERIK 808D系统1第一模拟量主轴驱动器2第二模拟量主轴驱动器3模拟量输出模块4信号转换模块5第二模拟量主轴6第一模拟量主轴7测速仪8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图1所示，一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，包括SINUMERIK 808D系统1和第一模拟量主轴驱动器2，所述SINUMERIK 808D系统1内的系统软件由NC加工程序和PLC程序构成，其特征在于设有第二模拟量主轴驱动器3和信号转换模块5，所述SINUMERIK808D系统1的NC加工程序包括第一模拟量主轴NC加工程序和第二模拟量主轴NC加工程序，所述SINUMERIK 808D系统1的PLC程序包括第一模拟量主轴PLC程序和第二模拟量主轴PLC程序，所述第一模拟量主轴PLC程序将第一模拟量主轴NC加工程序的NC指令通过模拟量输出模块4与第一模拟量主轴驱动器2相连接，所述第一模拟量主轴驱动器2驱动第一模拟量主轴7动作，以自动控制第一模拟量主轴7的启动或停止，所述第二模拟量主轴NC加工程序通过嵌入的自定义M代码控制第二模拟量主轴启动、停止，并使用R参数代替S转速指令，同时，第二模拟量主轴PLC程序将NC指令中的转速数值转换为数字量，通过数字量DI/DO输出至信号转换模块5的输入点，在信号转换模块5内的PLC程序将数字数值转换为模拟数值，再通过模拟量AI/AO输出给第二模拟量主轴驱动器3，所述第二模拟量主轴驱动器3驱动第二模拟量主轴6的启动或停止，解决了使用控制精度差的电位器控制的实质性不足，摒弃了采用电位器时在数控系统的人机界面直接输入编程指令的方式来控制第二模拟量主轴的转速和方向，不但达到了使用SINUMERIK 808D数控系统同时自动控制两个模拟量主轴的功能，而且，还大大提高了控制精度和加工精度。
本发明所述信号转换模块5具有模拟量输出点和数字量输入点，且所述模拟量输出点可输出-10V～+10V电压，所述数字量输入的点数与指令转速相对应。
本发明还可在第二模拟量主轴6上设有测速仪8，所述测速仪8与第二模拟量主轴PLC程序相连，以利于通过测速仪8对主轴进行实时测速，并将测得的误差值上传至第二模拟量主轴的PLC程序中进行调整，第二模拟量主轴的PLC程序将调整后的更精确的指令信号通过信号转换模块传输给第二模拟量主轴驱动器，以达到更加精确的驱动第二模拟量主轴6的转速控制。
本发明所述SINUMERIK 808D系统是基于操作面板的紧凑型数控系统SINUMERIK808D车削和 SINUMERIK 808D 铣削，配置SINAMICS V60驱动系统和SIMOTICS 1FL5伺服电机，应用于普及型数控车床、数控铣床及立式加工中心。
本发明所述SINUMERIK 808D系统软件设计的 NC加工程序中的第二模拟量主轴的正反转和停止指令应用系统的自定义M代码功能来实现，用M23指令控制主轴正转，M24指令控制主轴反转，M25指令控制主轴停止。选取R参数R2来定义和存储主轴转速指令，NC程序示例如下：
R2=200 //设置主轴转速为200rpm
M23 // 主轴正转
G91G01X100F500 //X轴直线运行100mm
M25 //主轴停止
R2=100 //设置主轴转速为100rpm
M24 //主轴反转
G4F3 //暂停3秒
M25 //主轴停止
本发明所述SINUMERIK 808D系统中的PLC程序主要增加了第二模拟量主轴的启动停止控制和转速指令的转换控制，如图2所示，第二主轴启动停止指令的PLC程序中，NC指令M代码执行后传送到SINUMERIK 808D系统中的PLC程序中，PLC程序处理后通过I/O点将指令输出至驱动器， 因第二主轴转速存储在R参数中，所以首先PLC程序要利用系统功能读取R参数中的速度数值，如图3所示，DB1200.DBB1设为1，读/写变量的数量为1，DB1200.DBB1000设为5，选择读取的数据类型为R参数，DB1200.DBB1002设为3，读取的R参数号+1,即读取的是R2，读取的R参数数值存储在PLC中的存储空间MB40中，然后如图4所示，通过PLC的I/O点，将MB40中的数字量信号输出， 输出的数字量信号传送给CPU224XP模块的数字量输入点后，如图5所示，在CPU224XP模块中，将数字量信号转换成模拟量信号后通过模拟量输出点AO输出给驱动器，这样驱动器就能按照NC指令的转速运行。另外，使用测速仪对主轴测速，将误差值在PLC程序中进行调整，能达到对主轴更精确的转速控制。
本发明所述信号转换模块可选用S7-200模块 CPU224XP，S7-200模块只是在研究中选取的一个样例模块，也可以采用其他模块代替。其信号转换模块的选择遵循两个要点，第一是必须具备模拟量输出点，能输出-10V～+10V电压。第二就是数字量输入的点数要跟指令转速对应起来。我们在进行NC加工编程时，主轴转速一般设为整数,这个数值可以用二进制表示，例如指令R2=200时，二进制表示为：11001000，在数值转换时，8个输入点最高设置转速数值为28=256，有8个输入点就能满足要求，如果主轴转速最高1000RPM时就需要210=1024,即10个输入点来处理，以此类推，选取出最高转速对应的模块。
本发明所述驱动器用于驱动电机的功率模块，多为带模拟量控制接口的变频器或是伺服驱动器。
本发明在数控加工时，第一模拟量主轴在SINUMERIK 808D系统1和第一模拟量主轴驱动器2的控制下自动运行，本发明所述第一模拟量主轴7的程序运行步骤为现有技术，请详见“第二主轴控制方法详见章节2.1 NC程序设计部分”，此不赘述；同时，第二模拟量主轴6在SINUMERIK 808D系统1和信号转换模块5以及第二模拟量主轴驱动器3的控制下自动运行，在运行过程中，所述第二模拟量主轴NC加工程序通过嵌入的自定义M代码控制第二模拟量主轴6启动或停止，并使用R参数代替S转速指令，同时，第二模拟量主轴PLC程序将NC指令中的转速数值转换为数字量，通过数字量DI/DO输出至信号转换模块5 CPU224XP的输入点，在信号转换模块5的CPU224XP内的PLC程序将数字数值转换为模拟数值，再通过模拟量AI/AO输入/输出给第二模拟量主轴驱动器3，第二模拟量主轴驱动器3驱动第二模拟量主轴6运行，在运行过程中，再通过测速仪将第二模拟量主轴6的转速数值测量后上传至第二模拟量主轴的PLC程序，第二模拟量主轴的PLC程序将测得的转速数值和设定的数值进行比较后，对指令进行调整，调整后，第二模拟量主轴的PLC程序再将调整后的更精确的指令信号通过信号转换模块5传输给第二模拟量主轴驱动器3来控制第二模拟量主轴6的精确转速和旋转方向， 不但达到了使用SINUMERIK 808D数控系统同时自动控制两个模拟量主轴的功能，而且，还大大提高了控制精度和工件的加工精度。
本发明的有益效果：摒弃控制精度差的电位器控制方式，采用在数控系统人机界面直接输入编程指令的方式来控制第二模拟量主轴的转速和方向，在加工过程中不需要额外的人工控制，既能提高控制精度，又能提高生产效率，节约人工成本。

Claims (6)

1.一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，包括SINUMERIK 808D系统和第一模拟量主轴驱动器，所述SINUMERIK 808D系统内的系统软件由NC加工程序和PLC程序构成，其特征在于设有第二模拟量主轴驱动器和信号转换模块，所述SINUMERIK 808D系统的NC加工程序包括第一模拟量主轴NC加工程序和第二模拟量主轴NC加工程序，所述SINUMERIK 808D系统的PLC程序包括第一模拟量主轴PLC程序和第二模拟量主轴PLC程序，所述第一模拟量主轴PLC程序将第一模拟量主轴NC加工程序的NC指令通过模拟量输出模块与第一模拟量主轴驱动器相连接，所述第一模拟量主轴驱动器驱动第一模拟量主轴动作，所述第二模拟量主轴NC加工程序通过嵌入的自定义M代码控制第二模拟量主轴启动、停止，并使用R参数代替S转速指令，同时，第二模拟量主轴PLC程序将NC指令中的转速数值转换为数字量，通过数字量DI/DO输出至信号转换模块的输入点，在信号转换模块内的PLC程序将数字数值转换为模拟数值，再通过模拟量AI/AO输出给第二模拟量主轴驱动器，所述第二模拟量主轴驱动器驱动第二模拟量主轴的启动或停止。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，其特征在于所述信号转换模块具有模拟量输出点和数字量输入点，且所述模拟量输出点可输出-10V～+10V电压，所述数字量输入的点数与转速指令相对应。
3.根据权利要求1所述的一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，其特征在于第二模拟量主轴上设有测速仪，所述测速仪与第二模拟量主轴PLC程序相连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，其特征在于所述SINUMERIK 808D系统的 NC加工程序中的第二模拟量主轴的正反转和停止指令应用系统的自定义M代码功能来实现，用M23指令控制主轴正转，M24指令控制主轴反转，M25指令控制主轴停止。
5.根据权利要求1所述的一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，其特征在于所述SINUMERIK 808D系统中的NC指令M代码执行后传送到SINUMERIK 808D系统中的PLC程序中，具体控制步骤为：PLC程序处理后通过I/O点将NC指令输出至第二模拟量主轴驱动器，因第二模拟量主轴转速存储在R参数中，所以首先PLC程序是利用系统功能读取R参数中的速度数值，选择读取的数据类型为R参数，将读取的R参数数值存储在PLC中的存储空间MB40中，通过PLC的I/O点，将MB40中的数字量信号输出，输出的数字量信号传送给CPU224XP模块的数字量输入点后，在CPU224XP模块中，将数字量信号转换成模拟量信号后通过模拟量输出点AO输出给第二模拟量主轴驱动器，第二模拟量主轴驱动器即按照NC指令的转速运行。
6.根据权利要求1所述的一种用于控制两个模拟量主轴的数控系统，其特征在于所述信号转换模块选用S7-200模块 CPU224XP。
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