基于840Dsl的汽車后橋端面銑削機床控制系統設計與實現

吳冬春，崔海斌，孫啟林，馬俊慶

(1．鹽城工學院 電氣工程學院 ，江蘇 鹽城 224051；2．江蘇高精機電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053；3.大連機床集團有限責任公司，遼寧 大連 116000)

基于840Dsl的汽車后橋端面銑削機床控制系統設計與實現

吳冬春1，崔海斌2，孫啟林2，馬俊慶3

(1．鹽城工學院 電氣工程學院 ，江蘇 鹽城 224051；2．江蘇高精機電裝備有限公司，江蘇 鹽城 224053；3.大連機床集團有限責任公司，遼寧 大連 116000)

目前，汽車生產行業中汽車后橋端面銑削加工大都采用固定位置加工，這種方式存在對工件焊接工藝要求高，對焊接工件自適應能力低，加工合格率低等問題。該系統采用西門子840Dsl雙通道數控系統，利用直線測量探頭測量計算工件的銑削位置調整補償參數，構建的系統自適應能力和加工合格率都得到了較大提高。在系統中嵌入HMI專用二次界面，結合加工程序的參數化編程，簡化機床的功能操作和維護。文章通過結合現行開發的基于840Dsl雙通道控制的汽車后橋端面銑加工組合機床系統，主要介紹帶有測量探頭的工件測量計算模型以及整個系統的軟件控制實現的相關技術。

汽車后橋；840Dsl；調整補償；HMI二次界面

0 引言

目前，國內汽車后橋兩側端面銑削加工大部分采用位置固定式加工方式，這種加工方式下，銑削刀具位置是固定不變的，而待加工工件都是焊接生產[1]，這就決定了待加工工件本身尺寸都是存在較大的離散性，采用這種位置固定式的加工方式，雖然保證了工件整體尺寸的精度，但是不能保證工件端部厚度尺寸的合格率，使得機床對不同尺寸工件自適應能力低，端部厚度尺寸加工合格率低。

針對實際生產中后橋兩側端面銑削加工采用固定位置工作方式中存在的端部法蘭盤厚度加工合格率低，對工件尺寸離散性自適應能力低的缺陷，我們提出在銑削刀具側增加直線測量探頭，用以檢測待加工工件的原始尺寸，反饋給控制器，由控制算法計算出當前待加工工件理論銑削深度，按照工藝要求計算出實際銑削加工的位置，實現工件的測量反饋加工，極大地提高了機床對焊機工件的自適應能力以及工件端部法蘭盤厚度加工的合格率。

1 工件的安裝和定位

新型汽車后橋臥式雙面數控銑專用機床，機床整體防護安裝在整體鑄造的床身上，左右兩個下滑臺安裝在整體鑄造床身上，夾具墊塊安裝在整體鑄造床身上，機床中間固定安裝一套液壓夾具，臥式裝夾一個后橋工件，采用液壓夾緊和氣動夾緊，機床兩側銑平面為專用銑刀盤，左右各布置兩個個數控移動工作臺，自動直線測量探頭安裝在主軸內側，測量時由氣動推桿退出測頭進行測量，測量完畢測頭縮回。本專用機床外形美觀、結構緊湊、自動化程度高、加工效率高。機床的結構設計如圖1所示。

圖1 汽車后橋端面銑削專用機床結構

加工工件的結構如圖2所示，工件的尺寸是基于工件的定位點測量得到的數據。

圖2 工件結構示意圖

將一個已加工后的合格工件做三維坐標檢測，得到該工件的尺寸數據。并且將此工件作為參考工件，對機床測量探頭測量數據做轉換標定，建立測量探頭數據和三坐標測量的轉換關系，實現測頭數據轉換為以工件定位點為基準測得的工件尺寸數據。工件測量示意圖如圖3所示，可得測量探頭的測量數據轉換為工件尺寸的計算公式(1)。

Lmeas=Lref+(Mref-Mp)

(1)

其中：

Lmeas—表示數據轉換得到的待加工工件的定位點到端面的尺寸；

Lref—表示參考工件的在三維坐標下測得的定位點到端面的尺寸；

Mref—表示測量探頭在測量點處測得的參考工件端面的實測數據；

Mp—表示測量探頭在測量點處測得的待加工工件端面的實測數據。

圖3 工件尺寸計算示意圖

圖4所示為參考工件在進給Z軸坐標上的絕對機床坐標位置示意圖。工件端面在進給Z軸上的絕對機床坐標位置也隨著待加工工件尺寸變化，其計算公式(2)如下所示

Zstartmill=Zrefmill-(Mref-Mref′)-(Mref′-Mp)

=Zrefmill-(Mref-Mp)

(2)

其中：

Zstartmill—表示待加工工件的端面在進給Z軸坐標上的絕對機床坐標位置；

Zrefmill—表示參考工件的端面在進給Z軸坐標上的絕對機床坐標位置；

Mref—表示測量探頭在測量點處測得的參考工件端面的實測數據；

Mref′—表示測量探頭在測量點處測得的參考工件沒有銑加工前的端面的實測數據；

Mp—表示測量探頭在測量點處測得的待加工工件端面的實測數據；

由此可以得到待加工工件端部理論銑削深度計算公式(3)如下所示：

ΔLmill=Lmeas-Lset=Lref+(Mref-Mp)-Lset

=(Lref-Lset)+(Mref-Mp)

(3)

其中：

ΔLmill—表示待加工工件端部理論計算得到的銑削深度；

Lset—表示標準合格工件在三維坐標下測得的定位點到端面的尺寸；

圖4 參考工件加工坐標位置示意圖

待加工工件是由不同部件焊接聯合而成，焊接工藝決定了工件尺寸存在離散性，即工件兩端焊接的部件在測量時，計算得到的理論銑削深度ΔLmill存在一個范圍。當該值超出合理范圍，判別待加工工件焊接不合格，對于判定焊接合格的待加工工件，需要考慮理論銑削深度ΔLmill較大時，端部強度減弱，而ΔLmill較小時，工件端部存在不能完全加工到位。綜合考慮以上因素，在加工中設定一個微小加工調整量Zadj，其是由工件尺寸精度和強度因素影響決定。

待加工工件在進給Z軸坐標上的最終加工時的絕對機床坐標位置計算公式(4)如下所示：

Zmillpos=Zstartmill+ΔLmill+Zadj

=Zrefmill-(Mref-Mp)+(Lref-Lset)+(Mref-Mp)+Zadj

=Zrefmill+(Lref-Lset)+Zadj

(4)

其中：

Zmillpos—表示待加工工件在進給Z軸坐標上的最終加工時的絕對機床坐標位置；

ΔLmill—表示待加工工件端部銑削深度理論計算值；

Zadj—表示綜合考慮加工尺寸精度和端面強度以及工件端部焊接角度因素得到的數據；

從上述得出的待加工工件在進給Z軸坐標上的最終加工時的絕對機床坐標位置公式(4)中可以得知，對于參考工件，其Zrefmill和Lref是確定值，而Lset也是確定值，因此待加工工件的加工位置是一個固定位置加上一個Zadj調整量補償值。

2 機床控制系統組成

整個機床控制系統采用西門子840Dsl[2]數控系統，其以NCU數控單元作為整個系統的控制核心。系統配置獨立的智能可回饋電SLM電源模塊，主軸功率驅動模塊，雙軸進給功率驅動模塊，人機界面用PCU單元和MCP操作面板，分布式遠程IO模塊，直線測量模塊以及氣閥集中控制模塊。整個控制系統由3層網絡DriveCLiQ[3]，Ethernet和Profibus-DP連接構成，其結構示意如圖5所示。系統的邏輯控制功能，諸如液壓系統控制、氣動系統控制、排屑等輔助設備由系統內部的PLC-317-2DP[4]可編程邏輯控制器實現。

機床的加工要求左右兩側加工互不干擾，可以獨立也可以協同加工，因此數控系統必須配置雙通道控制功能，每個通道控制機床一側的進給軸以及主軸運動。

圖5 機床控制系統網絡結構圖

3 控制系統軟件設計

整個控制系統的軟件設計按照系統結構可分為三部分：HMI二次人機界面設計、S7-300PLC的邏輯程序設計、NC加工程序設計。三部分程序通過840Dsl數控系統內部CP通信處理單元實現相互之間數據交換，完成三部分軟件協同對整個控制系統的動作控制。

圖6 系統數據連接示意圖

3.1 HMI二次人機界面設計[5-6]

HMI二次人機界面是面向機床實際操作人員的，在數控系統中開發的機床操作專用界面，因此HMI專用人機界面顯得尤為重要。在人機界面中配置Wincc Flexible與SINUMERRIK PLC以及SINUMERRIK NC連接，實現HMI與NC系統變量和PLC變量數據連接。在加工程序中采用GUD變量參數化編程，在HMI人機界面中設置GUD變量參數，需要建立userdatabase.ddb用戶變量數據庫文件，建立Wincc Flexible和系統GUD數據變量之間的數據連接。系統數據連接如圖6所示。

3.2 PLC邏輯程序設計

PLC程序是基于西門子的軟件開發環境Step7設計完成的。機床的系統設計中，直線測量模塊測量數據通過Profibus-DP網絡傳送給PLC，PLC按照工件的計算模型實時得出各個測量點測量尺寸，并將該計算得到的測量尺寸通過SINUMERIK PLC連接將數據傳送給HMI專用人機界面顯示給操作人員當前的工件狀況。同時還需要將該測量尺寸數據發送給NC系統中的GUD全局用戶變量，用于NC中加工算法使用計算出調整補償量。而PLC與NC數控系統之間的GUD數據傳送[7-9]必須通過專用通訊功能函數FB5和FB3來實現的，其代碼實現如下：

CALL"GETGUD","FB5_Read_GUD_L11"

Req:=#read_start//功能塊使能信號，上升沿有效

Addr:=#String_Value_L11//讀取的GUD變量字符串名稱

Area:=B#16#0//讀取的GUD變量所在區域

Unit:=B#16#1//讀取的GUD變量所在單元

CnvtToken:=TRUE//是否將GUD地址轉換為10字節的NC地址

VarToken:="PLC_WR_GUD".Value_Ptr_L11_FB5//存放該GUD變量所在NC中地址

Error:=#Error_Value_L11_FB5//存放讀GUD過程的錯誤標志

Done:=#Done_Value_L11_FB5//存放讀GUD過程的完成標志

State:=#FB5_Error_Code//存放讀GUD過程的狀態標志

RD:=#Measr_L11//存放讀取的GUD變量數據

CALL"PUT","DB_FB3_Write_GUD_L"

Req:=#write_start//功能塊使能信號，上升沿有效

NumVar:=7

Addr1:="PLC_WR_GUD".Value_Ptr_L11_FB5//要寫的GUD變量地址

Error:=#Error_Value_1_FB3//存放寫GUD過程的錯誤標志

Done:=#Done_Value_1_FB3//存放寫GUD過程完成標志

State:=#FB3_Error_Code//存放寫GUD過程狀態標志

SD1:="DB_MeasureData".NC_use_11_L_Real//要寫的GUD變量的數值

測量數據是整個控制系統的重要的數據，對于在讀寫GUD變量時出現Error錯誤標志，程序設計中不可忽略，必須通過PLC和NC之間的數據接口，禁止NC的繼續執行，并發出用戶報警信息。對于在Profibus-DP總線通訊中出現故障時[10]，必須處理通訊故障模塊OB82,OB86,OB122，保證即使網絡中出現故障，PLC仍然處于運行狀態，避免PLC進入stop狀態。

3.3 NC加工程序設計

汽車后橋端面銑專用機床在加工過程中，通過直線測量模塊檢測待加工工件的實際尺寸數據，計算與設定尺寸的偏差，通過計算得到的偏差值獲取加工調整補償量，機床根據該調整補償量加工工件。

圖7 測量加工控制流程原理圖

從公式4中可以看到，整個機床加工的最重要部分就是計算加工調整補償量Zadj。在整個測量加工控制系統中，調整補償量具有非線性，其與工件的理論銑削深度，工件加工端面的角度以及工件設計尺寸公差密切相關，具有多因素耦合，數學模型復雜的特點，因此建立實際計算公式計算調整補償量并不可取。在實際加工中，采用生產經驗數據查表法來獲取加工調整補償量。機床整體的測量控制流程圖如圖7所示。在圖7所示的測量加工控制流程示意圖中的虛線框中所示為獲取加工調整補償量Zadj的流程，其具體的程序實現流程圖如圖8所示：

圖8 測量控制算法程序流程圖

4 加工結果分析

汽車后橋端面銑機床的具體實現如圖9所示。在實際加工測試中，隨機選取了75個待加工工件進行加工測試，采用調整補償實現全部測試工件的合格加工。選取其中代表性的5個工件的測量數據和算法計算的實際調整補償量數據，如表1所示。

表1 實際工件加工前后測量數據表

工件測試加工中，對于種類5和種類2，兩側理論的銑削深度在合法銑削深度[0.65,1.95]區間范圍內，用普通的不帶測量反饋的機床加工也是能夠合格的，占試件總數78.7%，種類1，3和4，兩側理論銑削深度中至少有一側超出合法銑削深度區間，此時若使用不帶測量反饋機床加工只能保證工件兩側法蘭盤相對于定位點的尺寸合格，但是法蘭盤厚度小于最小厚度，工件加工不合格，該類型試件占總數的21.3%。

對于種類1,3和4類型工件，從表1中工件加工后的尺寸數據和端部厚度的測量數據，可以得知，工件在經過設計好的測量加工控制流程加工后，工件的尺寸數據是在工件設計公差±0.8范圍內的，并且工件的端部厚度也是滿足設計的最小厚度5mm的設計要求的，實現對該類型工件的合格加工，相比于普通機床，工件合格率提高21.3%。

圖9 汽車后橋端面銑機床實物圖

表1中的數據顯示出，在計算出的端部理論銑削深度較大或是較小時，通過調整補償量很好的控制了銑削深度過大而端部厚度強度不足，銑削深度過小而端部不能完整加工到位的情況，實現了機床對焊接工件尺寸分散性的極大適應性，很好的提高了工件加工的合格率。

5 結束語

針對當前汽車后橋兩側端面銑削加工方式對焊接工件尺寸分散性適應能力低和加工合格率低的狀況，提出的基于840Dsl數控系統的汽車后橋端面銑加工組合機床雙通道控制系統，設計可靠性高，對工件分散性具有極好的自適應能力，加工合格率得到了很大的提高。同時在840Dsl系統中嵌入HMI二次人機界面，顯示整個系統的運行狀態和機床專用操作界面，極大地提高了設備操作人員與設備的交互性和可操作性，便于維護人員對自動線設備的維護。參數化的編程方式很好的提高了程序的通用性和維護性。目前，該系統已在相關企業實際投入使用，加工效果和客戶反映較好。

[1] 王喜亮，廖輝江. 汽車后橋焊接生產工藝[J]. 電焊機,2006,36(6): 63-65.

[2] 邴旭，華春雷，徐兆成. 840Dsl系統在精密臥式加工中心上的應用[J]. 機械工程師, 2011(4):149-151 .

[3] 廖常初. S7-300/400 PLC應用技術(第3版)[M]. 北京：機械工業出版社,2011.

[4] 李冰. 零基礎學西門子S7-300/400PLC [M]. 北京：機械工業出版社,2010.

[5] 邴旭. 西門子數控系統人機界面二次開發方法研究[J]. 制造技術與機床，2011(10)： 163-167 .

[6] 王照亮,于會龍,邢雨. 基于840dsl OEM 開發組件的數控系統電氣調試方法[J]. 制造技術與機床, 2012(5): 161-163.

[7] 胡國清. SIEMENS 840D NC與PLC之間的數據通訊.第六屆全國數控裝備使用、維護與改造經驗交流會,2005.

[8] 陳剛. 通過PLC讀、寫NC變量實現斷刀后的保護—SINUMERIK 840D應用實例[J].制造技術與機床，2003(10):96-97.

[9] 高誠，石敏，鄧凌.基于西門子數控系統的機床換刀安全設計[J]. 航空制造技術，2009(24): 96-98 .

[10] 崔堅, 李佳. 西門子工業網絡通訊指南[M]. 北京：機械工業出版社,2004.9.

(編輯 李秀敏)

Design and Realization of the Automobile Rear Axle Milling Machine Based on 840Dsl

WU Dong-chun1，CUI Hai-bin2，SUN Qi-lin2,MA Jun-qing3

(1. School of Electrical Engineering,Yancheng Institute of Technology ,Yancheng Jiangsu 224051,China；2. Jiangsu Gaojing Mechanical&Electrical Equipment Co.Ltd, Yancheng Jiangsu 224053,China)

Presently, the production of automobile rear axle flange milling process mostly used fixed manufacturing position, which method has high requirements on the workpiece welding process, low adaptive capacity, low processing qualified rate and other issues. Siemens 840D solution line dual-channel control system is adapted in the system, in which the straight-line measurement probe is used as the important component, by which the actual milling position compensation parameters is calculated. The adaptive capacity and the manufacture passing rate has been greatly enhanced. The operation and maintenance of the machine functions has been simplified by the ways of developing HMI and the NC process program with the user defined parameters. This paper mainly introduces the module of the workpiece measurement and calculation and the method of the system control realizing in the system.

automobile rear axle;840Dsl; adjustment compensation; developing HMI

1001-2265(2014)07-0053-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.015

2014-03-07；

2014-04-11

吳冬春(1975—)，男，江蘇鹽城人，鹽城工學院講師，碩士，主要研究領域為逆變焊機、電力電子及其自動化等,(E-mail)wudc1975@163.com。

TH16；TG65

A