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NUM数控技术应用


NUM 数控技术应用
神龙襄樊工厂的进口设备主要来自法国,所以其中的数控设备也主要采用源自法国 SCHNEIDER 的 NUM 数控系统。 发动机、车桥、变速箱及刃磨车间装备的上百台数控机床,基本上覆盖了 NUM 数控的 全系列产品: 从简单的不带 PLC 的 NUM720 到 PLC 只使用汇编语言的 NUM740/750/760, 到结构紧凑的 NUM1020/10

40,直到功能强大的 NUM1060 系列,还有一台缸盖加工设备 使用 ROBONUM800。这其中以 NUM1060 使用最多,我们以它为例看看 NUM 数控技术及其 应用情况。 NUM1060 基本硬件结构如 附图 1: 从右至左 (物理地址递增顺序) 依次为电源(power supply),图形处理器(graphic processor),机床处理器(machine processor 即 PLC CPU),NC 处理器(NC processor),存储器卡(memory card),轴卡(axis card) 及输入输出卡(I/O card)。机床面板通过光缆从电源模块接入,数控面板由图形处理器管 理。 NUM1060 使用双总线结构,如 附图 2:system bus 为 NC 总线,serial bus 为 PLC 总线,这两条总线在机架内一目了然。电源模块自然要和两条总线相连,PLC CPU 因 为处理与 NC CPU 的信息交换,也要挂上双总线。此外,每个 CPU 模块还有自己的局部总 线,处理 CPU 与协处理器、局部 RAM 及总线接口的数据通讯。 NC 程序和 PLC 程序在上电时由 MEMORY 卡传入各 CPU 的局部 RAM 运行。此外 CPU 上留有各种特殊接口, 用于中断输入、 定时器输入输出、 模拟量输入输出及 Mapway、 Ethway 等组网功能,外设通讯等。 (附图 3 为 PLC CPU 接口示意图) 随着 CNC 版本及应用场合不同,各模块配置会有些变化。如 NUM1060 UCS2 的 NC、 PLC 和图形处理器集成为一块。I/O 模块有五种(见附图 1) ,以 64I/48O 卡使用最多。 机床面板也是一种特殊的 I/O 模块, 它占用 I/O 地址, 具有模拟量和数字量输入输出。 Axis card 可以是模拟轴,也可以是数字轴(QVN 轴卡) 。同时还有许多灵活应用,如单 NC 面板 多 CPU,单 CPU 多 NC 面板,单 CPU 多个机床面板等。如果 PLC CPU 上的中断输入或模 拟量输入输出接口不够用(PLC CPU 上提供 4 个模拟量输入,2 个模拟量输出和 4 个中断 输入通道) ,可以使用 IT/SERIAL 卡(扩展 4 个中断输入,4 个串行接口)或 ANALOG I/O 卡(扩展 8 个模拟量输入,8 个模拟量输出) 。而基本机架插槽容量不够时,可以使用扩展 机架。 但对于一般使用场合, 基本配置已经绰绰有余 (可达最大 15 块 NC 模块, 8 块 I/O 或 模块) ,所以神龙襄樊工厂没有用到这些扩展。 NUM1060 的 软 件 结 构 除 NC 程 序 和 PLC 程 序 外 , 还 有 机 床 参 数 (machine parameter),外部参数(external parameter,简称 E 参数),L 变量及自定义变量等, PLC 程序和 E 参数中还包含 NC 与 PLC 的交换区变量。 下面从软件应用入手看看 NUM1060 的特点。 一、一、NUM1060 编程 1. 1. NC 编程

NUM1060 提供非常丰富的数控编程指令。 除了常用的 ISO 编程 G 指令和 M 功能外, 还 有圆柱坐标和极坐标编程功能;有键槽曲线加工、刚性攻丝、螺纹加工、啄式和中心钻孔、 锪孔、镗孔、腔体加工、表面和样条曲线加工等数十种加工循环;有镜像、数制转换、比例 缩放、紧急回退、切线进给、恒线速进给、轴组同步等功能指令;及进行主轴速度分级和主 轴定位。

NUM1060 还提供一种特殊的编程指令:动态操作者(dynamic operator) 。 它不同于一般的 NC 指令----执行完跳到下一条指令,该指令便不再被理会----而是 一旦被读取,就开始被不停地重复执行,直到被取消(而同时 NC 程序仍在继续向下执行) 。 这一点有些类似于模态 G 指令,但它与模态 G 指令有又本质区别:动态操作者在每一个实 时时钟周期(RTC: real time clock)均被执行一次,执行时间以微秒计。 正是由于这个特点,我们可以利用动态操作者解决许多意想不到的问题。 比如 X 轴和 Y 轴之间必须完成一种复杂的插补关系,让编程人员伤透脑筋。我们可以 找到一个与 X 轴有相对简单的插补关系,且和 Y 轴有一定位置换算关系的“第三轴”U,并 将它定义为非测量的虚拟伺服轴。我们先激活一个动态操作者,将 U 的坐标换算后“实时” 地传给 Y 轴(动态操作者主要是一些运算与传送存储指令) ,然后再执行 X 和 U 的插补,这 样 X 和 Y 之间的复杂插补关系就实现了。 因此使用动态操作者我们可以方便地实现工件按振荡曲线往复运动的平面磨床保持恒 定线速度磨削,使轴组在旋转工作台上保持一个固定的位置,加工一个移动的工件,还可以 实现轴同步, 镜像同步, 甚至允许在执行 NC 程序时手动移动轴 (这给半自动对刀带来方便) , 或用 CNC 当作示波器来观察一个轴的响应。 NC 程序可以在自动、手动、步进、MDI、TEST、DRYRUN 等方式下运行。 其中 TEST 方式下只在 CRT 显示刀具加工轨迹,轴电机保持不动,用来检验程序的正 确性; DRYRUN 方式下必须先修改程序或有关参数将进刀点后移。 它的主要特点是所有轴均以 最快速度(G0 速度)运动,而不根据编程速度,它用来验证机床动作循环是否正常。 此外,还具有程序段跳过(/)和“轴回来”功能。并支持表面轮廓几何编程(PGP) : 对话输入加工工件的轮廓图,自动生成 NC 程序。 2. 2. PLC 编程

NUM1060 可以单独使用汇编或梯形图语言, 或两者混用, 它还支持 C 语言编程。 PLC 其 程序分为周期性程序、背景程序和中断程序。 基本程序是周期性程序, 初始化程序%INI 仅在 PLC 启动时执行一次, 用于硬软件配置 等;%TS0 每 20ms 执行一次,%TS1~TS4 每 100ms 执行一次。 背景程序主要处理机床信息显示,它可以在用户屏幕(user screen)以文字或图形方 式显示各种操作与运行信息(NUM 称之为透明方式) 。 共有 256 个子程序可供上述程序调用。 中断程序由硬件 IT 中断或定时器中断触发,其优先级最高,用来处理紧急或实时中断 事件。 如果发生程序错误或 PLC 总线故障, 程序自动停止执行, PLC 看门狗被复位 (NUM1060 第一个输出模块的第一个输出点被系统自动定义为看门狗,用户可以将它接入安全控制回 路) 。 PLC 通过交换区变量与 NC 交换信息。对于通过交换区无法取得的信息,PLC 可以用 UNI-TE 协议读取。UNI-TE 同时也是 NUM1060 CNC 通过 Mapway、Ethway 进行远程通 讯的协议。 二、二、NUM1060 参数变量 1. 1. 机床参数(P 参数) 它是 NUM1060 的核心参数, 定义 CNC 系统的几乎所有特征。 如轴组配置、 轴运动特性、 位置反馈、DNC 传输甚至 PLC 语言选择等。如果采用数字轴,则还有相关 QVN 轴参数。 机床参数在输入后一般固定不变,但部分仍可以在 NC 程序中由 E 参数临时改写。

2. 2. 外部参数(E 参数) E 参数大致有三种。第一种如上所述,对应于 P 参数,反映 CNC 系统的特征状态。 第二种反映 CNC 的各种实时状态,如对应各轴的速度、位置值,刀具参数值,参考点 状态, 伺服状态等。 通过在 NC 程序中对这些 E 参数的读写, 可以方便地完成诸如自动对刀, 刀具补偿,轴回零等许多功能。 让我们来看一个有趣的例子:数控轴执行回零后,在原点开关附近来回晃悠几次,然 后便停下来,发出“参考点错误”信息。数控轴是怎么知道它的参考点(原点)找错了呢? 原来有一个专门反映原点开关状态的 E 参数,原点开关被压下(断开)时该 E 参数值为 1, 我们可以利用它判断由于原点开关断线等原因而导致参考点回错的问题。NUM1060 回零过 程如下: 轴以回零速度按回零方向向原点开关移动, 取压上原点开关后第一个编码器零脉冲 作为参考点。参考点回完后,将轴反向移出一段距离,即到达正常找到参考点时原点开关刚 好能复位的地方,判断 E 参数的值,然后再按回零方向移动到参考点前面且原点开关能被 压下的地方,再判断 E 参数的值,如果前一次不为 0 或者后一次不为 1,则参考点有误。
编码器两零脉冲间距 L 第 1 步:到 c, 第一个零脉冲为参考点 第 2 步:返回到 a, 判断 E 参数=0? 第 3 步:到 b, 判断 E 参数=1? 原点挡块,E 参数=1 L/4 ~ L/2

a 回零方向

b

c

第三种 E 参数用于 NC 与 PLC 程序的信息交换,它们有的由 NC 写,有的由 PLC 写, 有的 NC 和 PLC 都能写。这种 E 参数没有特定的含义,只有程序设计者在程序中使用它才 富有生命力。 3. 3. L 变量 主要在 PLC 程序中用作运算变量,它与 E 参数有个明显的区别:L 变量在程序运行时 保持其在运算中被赋予的值,但一旦 NC 程序停止执行后,L 变量就被清零。 4. 4. 自定义变量 类似于 C 语言,在 NC 程序中可以定义变量,这些变量一旦被定义,就同 L 变量一样被 使用。自定义变量和 L 变量都可使用堆栈,堆栈在存储样条曲线参数方面很有用。 三、三、多轴组配置 NUM1060 可以配置 8 个轴组,每组 9 根轴。相应轴组的 NC 程序用%****.g 表示 (g=1~8) ,各轴组同时独立运行,实行组内联动,组间协调。因而我们有同时拥有砂轮工 件导轮轴组、金刚滚轮轴组、上下料机械手等多达五个轴组的无心磨床。而对照地,在使用 FANUC16 的双主轴双刀塔 MURATA 车床上,必须采用 option2 CPU 模块。 组间协调在变速箱差壳生产线有一个典型的例子。如图,轴组 1 从上方进入镗削内球 面,轴组 2、3 镗削左右孔,三个轴组同时启动加工,如果同时进入则会产生刀具干涉,所 以在各轴组间设立协调标志:当轴组 1 进入加工时,设立标志符, 通知组 2、 在外面等待, 3 直到组 1 加工完退出,标志符取消,组 2、3 才进入加工。
轴组 1 轴组 2 轴组 3

工件

当然这种协调关系也可以用 NC 与 PLC 交换区变量实现,但在 NC 程序中设立标志的 方法显然更加简单明了,可读性强。 这 8 个轴组中最后排列的轴组可以是 PLC 轴组:允许轴由 PLC 控制。在附图 4 我们 可以看到 PLC 功能控制一个主轴的情形。 PLC 程序中对于所有轴组均要作相应处理,它与 NC 的交换区变量以%Rg**和%Wg** 表示(g=1~8) ,同时也有各轴组共用的变量。这样可以利用交换区对单个轴或轴组进行控 制,比如机床内轴组在加工时,不允许机械手轴组进入机床。 四、四、尺寸精度控制 数控机床加工尺寸精度涉及因素很多,我们看看 NUM1060 几种与尺寸精度有关的功 能。 1. 1. 刀具补偿 有三种补偿方式。第一种是操作人员直接在数控面板进入刀具(TOOL)页,手工输 入补偿数值。这种方式适用于人工离线测量。 第二种是在 NC 程序中修改对应于刀具补偿的 E 参数的值。这种方式适用于利用灵敏 探头自动对刀, 在线测量 (利用装在数控轴上的测量探头进行测量, 将自动计算的差值补入) , 或已知磨损规律的定频次定量补刀,或砂轮修整后将修整量从刀具参数中减去。 第三种是 PLC 动态刀补指令, 它能指定任意刀具号在某方向的任意补偿量, 特别适合 于结合下一工位自动量仪进行尺寸控制:量仪一旦发现工件尺寸进入补偿区,就向 PLC 发 出一个正向补刀或负向补刀信号,于是 PLC 激活一次动态刀补,在刀补参数中补偿一个相 应的值。注意这里是事后补偿,即补偿量在下一工件得到体现。
NC 计入刀具参数 加工刀具 被加工工件 下工位检测 被测工件 量仪 PLC 激活动态刀补 量仪请求补偿

2. 2. 误差校准 在机床参数中可以规定各轴的反向间隙补偿;在数控面板上可以输入多个点的螺距误 差补偿值,及交叉轴校准(interaxis calibration). 3. 3. 主动量仪 用主动量仪实时测量控制轴的进给在外圆磨床上使用广泛,这一点将在后述的中断技 术中讨论。 4. 4. 恒速磨削 NUM1060 通过计算砂轮尺寸,控制变频主轴砂轮实现恒线速度磨削,达到高表面精 度。这一点将在后述的模拟量输入输出中讨论。 五、五、诊断功能 NUM1060 具有强大的自诊断功能,除了上面提到的 PLC 看门狗之外,它还提供近千 条 NC 错误信息。这些信息几乎包括了所有的系统硬件故障、软件编程错误、静态与动态故 障。例如程序语法错误、溢出、死循环、轴软限位超出、编码器信号丢失或互补性错误、总 线故障等等。

一旦出现系统故障,NC 被复位,相应信息在 NC 面板显示。 NUM1060 也允许用户编写类似的故障信息,在 NC 程序中编写,在 NC 程序中调用, 其处理和显示方式与系统故障类似。 然而用户更多地关注机床信息,如动作步骤、动作故障、逻辑故障等。这些信息显示 有多种方法。 1. 1. NC 程序中利用信息输出语句 “$0”可在 NC 程序执行时在 axis 页显示有关信息。如 当前运行步骤,需要操作者干预的提示信息等。 2. 2. 在 message 页显示。这些信息内容编写在 NC 程序%9999.9 中,由 PLC 程序用交 换区变量调用。一般用作操作与机床故障信息显示。对于汇编语言,还可以将信息内容 编写在信息表 TM 中,调用方法大同小异。 3. 3. 用户屏幕显示。即前述的“透明方式” 。一旦需要显示信息,即调用背景程序,显示 程序编写好的文字或图形信息。 六、六、其它 1. 1. 中断技术 在 PLC 编程一节已经提到中断程序,实际广泛使用的还是 NC 中断指令 G10。对于 IT 中断输入,它既可以指定为 PLC 中断程序(中断任务)的触发者,也可以指定为 NC 中 断指令 G10 的触发者,这由 PLC 编程决定。 G10 在轴运动语句中出现,如 G01 X100 F100 G10 N1000,表示 X 轴向 X100 处 移动, 如果在运动到 X100 之前中断被触发, 则立即停止轴移动, 转而执行 N1000 语句 (如 果 G10 后不跟语句标号, 则转到当前语句的下一条语句) 如果运动到 X100 还未触发中断, , 则执行下一条语句。 G10 中断有三种触发形式。 第一种,PLC 程序中将 ARBUT 置位触发中断。这在外圆磨床中使用很典型:主动量 仪一旦发现尺寸到达,立即给发出信号到 PLC 输入模块,置位 ARBUT,从而使砂轮停止进 给,转入光磨阶段。
G10 中断,转入光磨程序 停止进给开始光磨 置位 ARBUT 量仪发现尺寸到达 通知 PLC 砂轮正在磨削工件:G01 XL100 FL10 G10

第二种,由硬件中断触发,在 PLC 中定义中断输入,一旦相应的中断输入通道的信号 断开,马上触发中断。这种方式用在需要高速响应的场合,如砂轮和金刚轮的全自动对刀, 砂轮向金刚滚轮移动, 一旦碰上金刚滚轮, 超声波传感器检测到信号, 将中断输入信号切断, 利用中断时轴位置被 E 参数记忆的特点,对刀点被确认。 第三种通过将一个轴的位置与某一阈值进行比较, 产生中断, G10 @7<20.5 N100。 如 这种方式常在回参考点程序中使用。 2. 2. 定时器功能 PLC CPU 有两个 8 位定时器:timer A 输入,timer B 输出。可以实现定时、计数中 断(触发 PLC 中断任务) ,或用来测量一个外部逻辑信号的宽度(精度达 34 微秒) 。

3. 3. 模拟量输入输出 模拟量输出通道由 PLC 程序配置。典型的应用是给砂轮变频电机调速器提供+/-10V 指令电压。这样能取得较恒定的磨削线速度。通过修整量及补偿值,NC 很清楚砂轮的直径, 它利用 E 参数传递给 PLC,PLC 模拟量输出通道通过 DAC 转换后输出速度指令给变频器。 (参见附图 4 给模拟主轴提供+/-10V 电压的情形) 模拟量输入也要在 PLC 程序中配置, 它可以用来接收来自变频器或测速机的表征速度 的信号。 在现场还有两个常用的例子,一是用来判断工件类型:模拟量位移传感器靠上工件, 根据工件外形尺寸不同输出不同的模拟量电压,经 PLC 处理后可以确定相应的工件类型。 另一例是用来调整切削液喷嘴的位置:由于砂轮直径在逐渐减小,有些设计为了保证 切削液始终精确地喷向砂轮切线方向,使用可动喷嘴,喷嘴与可调电位器相连(如图) ,电 阻的阻值与喷嘴的位置线形相关,因而根据电位器上的电压变化,可以驱动电机正/反转, 调整喷嘴到与砂轮当前直径相适应的位置。
丝杠 电机 可调喷嘴 可调电位器 转换成电压信号 输入模拟量输入口 砂 轮

4. 4. 紧急回退 紧急回退指令 G75 声明一个紧急回退子程序,在其后整个 NC 程序执行过程中,一旦 PLC 激活紧急回退请求 BDEGURG, 程序马上跳到事先声明的子程序。 NC 这在那些出现异常 故障时不宜马上在当前位置停止的场合特别有用。 如正在进行的滚齿过程, 一旦发生紧急情 况,马上使刀具回退到安全位置(硬件上需要有能维持数秒的后备电源支持) ,以免昂贵的 滚齿刀具打毁。 5. 5. 快速取刀 快速取刀指令 quicktool 用于车床刀塔或加工中心刀库的控制,它能根据刀具总数, 当前刀具号和需求刀具号计算出最短路径,大大节省自动换刀时间。 6. 6. 机床面板 机床面板是一种选件,它能为机床设计者带来方便。机床面板上面装有主轴与进给轴 倍率电位器,和编程接口,并可以安装手摇脉冲发生器。机床面板其实是一种扩展 I/O 模 块, PLC 编程控制, 由 所以除了不宜改变的循环启停和 JOG 钮外, 其它按钮均可自定义 (见 附图 5) 。机床面板由光缆连接,需要时可以串接多个,面板地址由数码开关设定。 7. 7. 驱动配套 NUM 能提供从单轴到多轴,从模拟式到数字式的全系列伺服驱动器,对于模拟轴也可 以采用其它厂家产品。在神龙襄樊工厂多为模拟轴,配套使用 NUM、PARVEX 及 INDRAMAT 驱动;位置反馈则多用 HEIDENHAIN 旋转编码器和直线光栅尺。 从数年的使用实践, 我们发现 NUM 部件损坏率较高, 而且其早期产品存在硬件互换性 与软件兼容性问题。NUM 电源在品质相对较低的亚洲电网有些“水土不服” ,是造成硬件损 坏的主要原因。所以使用 NUM 数控时,有必要在电源输入电路安装滤波器。 尽管如此,NUM 数控同样是一种优秀的数控系统。在中国市场起步较晚的 NUM 正在借 鉴 FANUC 和 SIEMENS 的成功经验, 吸取美国 AB 淡出中国的教训, 并致力改善其产品质量

特别是电源品质,使其适应这里的现场环境,同时加大开拓力度,试图打开机械工业正在迅 速崛起,潜力巨大的中国数控市场。

作者:神龙汽车有限公司襄樊工厂 STG

周日林


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