我公司承接了一台出口大型数控插齿机的任务,该用户要求机床在外界电源突然断电的情况下,系统能作出快速响应朝机床进给的反方向回退一小段距离,保护工件及刀具的安全。因此,我们选用了SIEMENS840D数控系统来实现机床的电气控制,利用其选件功能“紧急回退”来满足用户的要求。整个电控系统采用SIEMENS840D数控系统+611D驱动+1FT6电动机+1PH7主电动机+20μF电容+S7-300PLC的结构进行了设计制造并获得了成功,得到了用户的赞誉。
1.机床基本状态及工作原理
本机床是用于直、斜齿加工的大型插齿专用机床,可进行内外齿的选择切削。机床由工作台的直线进给运动(Y轴)、工作台的旋转进给运动(B轴)、刀具的旋转进给运动(C轴)、插齿刀轴的上下往复运动(SP轴)等驱动部件构成,见图1。
图1
(1)工作台的直线进给运动(Y轴)此方向上轴的运动是采用伺服电动机通过蜗杆蜗轮组成的减速系统带动精密滚珠丝杠来实现工作台的进给或后退,工件的进给速度及进给量值就是由此方向上轴的运动来实现的。“紧急回退”功能就是通过此轴来实现的。
(2)工作台的旋转进给运动(B轴)此机床工件的旋转进给是一个连续的运动,通过一个伺服电动机带动精密减速机驱动工作台蜗轮来实现的。此轴与刀具的旋转进给运动(C轴)是一组联动轴,切削同一工件时必须严格保证两轴的联动关系。
(3)刀具的旋转进给运动(C轴)此轴为刀具旋转轴,通过一个伺服电动机带动刀架蜗轮来驱动刀具的旋转。
(4)插齿刀轴的上下往复运动SP轴)床主轴,是由一个伺服主轴电动机通过减速机构带动主轴滑块上下运动,刀具通过刀轴连接在滑座上,依次上下滑动来实现对工件的切削。主轴滑块及刀轴的自重很大,在刀轴下降的过程中,主轴伺服电动机实际上输出功率很小,基本上是由刀轴及滑块的转动惯性带动电动机在运动。因此,我们在进行“断电回退”功能的设计时也考虑到了这一点,利用主轴回馈的能量加上电容模块存储的能量,共同驱动工作台的直线进给电动机(Y轴)在断电瞬间向正常工作方向的反方向回退一小段距离。
2.系统硬件配置
我们为实现机床的整体切削性能、加工精度及“断电回退”功能,在硬件上采用了如下配置,见图2:
图2
(1)系统采用SIEMENS840DNCU571.4。
(2)人机界面采用OP010以及带硬盘PCU50。
(3)驱动采用611D系统,电动机则采用1FT6和1PH7系列伺服电动机,具体如下:
Y轴:1FT61021AC714EG1,23N·m,2000r/min,内置绝对值编码器。B轴:1FT61088AF714EG1,37N·m,3000r/min,内置绝对值编码器。C轴:1FT61021AC714EG1,23N·m,2000r/min,内置绝对值编码器。SP轴:1PH71632ND030BD2,210.1N·m,1000r/min,内置增量值编码器。
(4)电容模块值为20μF,订货号:6SN11121AB000CA0。
(5)在外部电源停电时,我们还要保证系统能在短时间内进行程序处理,同时提醒机床操作人员机床工作状态,因此,在硬件上我们还设计了控制电源DC24V的UPS电源,为机床外部断电时系统控制有效提供保证。具体型号为:电源模块6EP19312EC01,7AH电池6EP19356ME21。连接电路图如图3所示:
图3
在图3中,-GD1为SIEMENS模块化电源单元PowersuppliesSITOPpower,规格为3相AC380V输入,输出为DC24V、20A。机床所有的DC24V控制电源全部由其提供,在其DC24V输出端串联了DC24VUPS电源控制模块,通过UPS电源控制模块输出DC24V到机床的控制回路。在UPS电源控制模块侧还串接了一个7AH的电池模块,通过UPS电源控制模块可在断电瞬间将电池模块的电能迅速提供到机床控制回路,在一定时间内可保证NC部分的电源供给,让机床操作人员可以对实时情况进行处理。我们还在UPS电源控制模块上引出了一个操作信息(电池正常I36.0)和一个故障信息(电池未准备好I36.1),以便于机床操作人员更好地处理相关信息。
3.软件程序的设计
软件程序的设计就是要通过编写相应的程序来对各种信息进行及时的处理,力求快速响应达到机床的设计要求。“断电回退”功能的实现有多种方式实现,有通过驱动参数来直接控制轴实现的,也有通过NC来进行控制的。因为我们在设计“断电回退”功能的实现是采用NC控制的,所以在PLC程序上没有什么特殊的编制,主要体现在机床NC参数及G码的编译上。
(1)NC参数的设定在机床参数的设计上,因为重点是“断电回退”的功能实现,所以机床轴及通道参数我们就不一一详述了,主要把与“断电回退”功能有关的参数介绍一下:
(2)G码程序的编译因为我们提供的电容容量有限,所以在编程时对于回退距离采用的是增量编程,具体实例如下:
在上段程序中,第N56行表示的是使能各机床轴ESR功能。
第N70行为一个条件辨别,具体的含义为当机床外部电源突然掉电的时候激活ESR功能。
LFPOS表示轴向特定的方向缩退。
POLF[Y]=IC(-2.5)表示指定缩退轴为Y轴,IC()表示以增量方式缩退的距离,在括号内指定的是方向及距离,如(-2.5)表示的是轴向负方向缩退2.5mm,在实际的应用中可以根据需要来定义括号内的值。
POLFMASK(Y)表示Y轴缩退功能被激活。
POLFMASK()表示Y轴的缩退功能被取消。
在这里需要进一步提出的就是,如果主轴为伺服主轴时,在外部电源突然断电的情形下,安全条件允许的条件时可以考虑主轴不要立即抱紧制动,因为在主轴负载变化急剧的情况下,主轴电动机在停电瞬间会回馈电能到驱动直流母线侧,这样为回退轴紧急回退的驱动能量提供了必要的保障。
4.结语
我们在装配现场进行了现场测试,按照以上阐述的内容进行实践,当外部电源人为断电时,机床直线进给轴(Y)按照我们设计的回退方向及距离实现了紧急缩退,测试效果非常好,满足了用户的需求。机床出厂到用户现场安装调试完毕后,用户对机床进行了验收,并对此功能进行了重点测试,结果令用户很满意。从机床投入运行到现在,每次回退功能运行都很正常,在很大程度上减少了突然断电对刀具及工件带来的损伤,为用户减少了意外因素带来的损失,同时为我们公司带来了良好的声誉。
