摘要：本文介紹了應用SINUMERIK 840D slshukongxitongshixianwuzhouliandongyepianjiagongzhongxindianqikongzhidefangan
，zhongdianchanshulecaiquduocelvezuhedefangshi，jiangtouweijiadekongzhicelveyoudanyidelongmenzhoukongzhigaiweizhuangjiashisuidongkongzhi、粗加工時主從耦合、精加工時機床坐標係耦合三種方式相結合的形式，克服單一策略存在的問題
，滿足葉片在裝夾、粗加工以及精加工過程的不同需求，以改善機床的性能，使其操作更便捷、更智能，同時提高了葉片的加工效率及切削質量。

關鍵詞：SINUMERIK 840D sl      隨動控製     主從耦合     機床坐標係耦合     人機界麵  

一、項目簡介

XKH xiliewuzhouliandongyepianjiagongzhongxinshibeijingjidianyuanjichuangyouxiangongsiyingyongzizhujishu，jieheyepianlingjianjiagongtedian，zizhushejikaifadezhuanyeyepianjiagongjichuang
，yichenggongzaiguoneishixianpiliangyingyong，yonghubaokuodongfangqilunjichang
、無錫葉片廠
、黎明發動機公司等主機廠，以及為主機廠進行配套加工的專業葉片加工廠。

本文介紹的五軸葉片加工中心，是本公司在參加無錫透平葉片廠牽頭承擔的國家科技重大專項課題“國產高檔數控機床在葉片加工中的示範應用”中
，根據無錫葉片廠對葉片加工機床的要求，在原有產品的基礎上進行設計開發的，機床型號為XKH800Z
，機床外觀如圖1所示。

XKH800Z五軸聯動葉片加工中心采用立柱移動結構
，五軸聯動
，所有坐標全閉環控製

，機床工作台沿X軸線左右運動，立柱沿Y軸前後移動
，主軸沿Z軸上下移動並圍繞回轉中心進行擺動（B軸），Z軸采用雙絲杠進行同步驅動（Z1，Z2)
，B軸由力矩電機直接驅動；頭架（A1軸）和尾架（A2軸）安裝在工作台上
，均采用力矩電機直接驅動、同步回轉
，同時，尾架在工作台上通過U軸可以根據零件尺寸的不同進行調整，切削時頭尾架則通過液壓進行鎖緊。

圖1：XKH800Z外觀圖

二、數控係統配置

XKH800Z五軸聯動葉片加工中心有5個直線軸（X，Y，Z1，Z2，U），3個旋轉軸（A1
，A2，B）和1個主軸（SP1），共9個軸需要控製。機床選用 SINUMERIK 840D sl數控係統，由於控製軸數較多，設計通過連接NX模塊增強係統的驅動控製性能
，因此，控製分為兩部分，一是通過NCU720.3實現對Y軸、U軸

、X軸、B軸、SP軸的控製，二是通過NX15.3模塊實現對Z1軸、Z2軸

、A1軸
、A2軸的控製，控製框架圖如圖2所示。

1、控製單元NCU720.3

控製單元NCU720.3控製5個軸
，通過DRIVE-CLiQ接口進行模塊間、模塊與電機編碼器間的通訊。因為Y軸
、U軸
、X軸和B軸選用的是1FT7係列標準電機，電機自身帶DRIVE-CLiQ接口，可與電機模塊直接連接；而主軸電機選用第三方電機，編碼器信號需要加配SMC20模塊進行信號轉換後與電機模塊進行連接。

2、控製單元NX15

控製單元NX15控製4個軸， 其中A1、A2軸選用1FW6係列力矩電機
，使用海德漢RCN226編碼器進行位置檢測，加配外部編碼器模塊SME125將編碼器信號和電機溫度傳感器信號轉換為DRIVE-CLiQ信號，接入電機模塊。

圖2：連接拓撲結構圖

三
、頭尾架運動控製的實現   

1、同步控製

yepianweibobijiegou
，benshengangxingjiaoruo，kangwangangduhekangniugangduhencha
，jiagongshiyepiantoubuyoutoujiajiachi，weibuyouweijiajiachi。ruguolingjiandebaidongzhiyoutoujiajinxingqudong
，zaijiagongdaoyepianweibushi

，youyulingjiangangdujiaoruo，jiagongwuchajiaoda。weibaozhengjiagongjingdu，shejicaiyonglijudianjiqudongtoujia（A1軸）和尾架（A2軸）進行同步驅動，起到改善葉片在切削狀態下的剛度的作用，同時采用高精度角度編碼器進行閉環控製，以提高運動精度。

產品最初設計時，頭架（A1軸）和尾架（A2軸）選用GANTRYzhoudekongzhifangshi，yaoqiulianggezhoushikebaozhengweizhiyizhi，lilunshangjiang，zhezhongweizhitongbukongzhishizuijingquedeyizhongtongbufangshi，danshizaishijijiagongshifaxiancunzailianggewenti
，diyishizaigongjianzhuangjiashi，youyutouweijiadianjishiGANTRY軸zhou的de控kong製zhi方fang式shi，尾wei架jia電dian機ji在zai尾wei架jia虎hu鉗qian夾jia緊jin的de瞬shun間jian
，不bu能neng隨sui動dong旋xuan轉zhuan，會hui造zao成cheng葉ye片pian扭niu曲qu，影ying響xiang後hou續xu的de加jia工gong精jing度du，並bing且qie尾wei架jia電dian機ji扭niu矩ju會hui加jia大da
，久jiu而er久jiu之zhi會hui影ying響xiang電dian機ji的de使shi用yong壽shou命ming；diergewentishizaiyepianjiagongguochengzhong
，rongyichanshenghuidan
，ciwai
，jiagongzhongyepianneiyuanyoucanyuyinglihuizhubushifang，yehuiyinqiyepianjiagongbianxing，youyuweijiadianjibunengsuidongxuanzhuan，daozhitouweijiadianjiniujubuyizhi
，yingxiangyepiandejingjiagongjingdu。

針對上述問題，結合SIEMENS 840D SL係統的其它多軸耦合功能，經過反複嚐試和試驗，決定采取多策略組合的方式，將頭尾架的控製策略由單一的GANTRY軸同步控製改為裝夾時的隨動控製、粗加工時的主從耦合
、精加工時的機床坐標係耦合三種方式相結合的形式
，克服單一策略存在的問題
，滿足葉片在裝夾、粗加工以及精加工過程的不同需求，以提升機床的加工效率和加工精度。

葉片加工示意圖如圖3所示。

圖3：葉片加工示意圖

2
、隨動控製（follow-up mode）

1）隨動控製簡介

yibankongzhizhuangtaixia
，sifudianjijiashangshinenghou

，dianjikaoqudongqiqudong，chanshengniuli，shiwufayongwailizhuandongde
，shukongxitongjiancedianjideweizhiyijisudu

，ruguochuxianpiancha，xitonghuibaojingtishi。danzaisuidongkongzhimoshixia，sifudianjishikeyitongguowailizhuandongde，biru，renweideyongshouquzhuandongsifudianji，dianjizhuandong，dianjiceliangxitongrengranshengxiao，tadeshijiweizhizhiyebeijiluxialai，tongshicongweizhihuamiankeyikandaoqizuobiaozhidebianhua，xitongbuhuibaojing，bingqiedangchexiaogensuifangshishi，yebuxuyaoduigegejingeizhouzhongxinhuicankaodian。

2）隨動控製的實現

在葉片裝夾過程中，控製策略采用隨動控製模式，尾架電機在尾架虎鉗夾緊的瞬間，可以隨著頭架一起旋轉
，不會造成葉片扭曲
；葉片裝夾完成後，取消隨動控製模式，開始進行加工。

尾架隨動主要是在葉片裝夾時使用，通過PLC程序
，令DB3*.DBX2.1 = “0”、DB3*.DBX1.4 = “1”，即可實現隨動控製；反之，令DB3*.DBX2.1 = “1”、DB3*.DBX1.4 = “0”，即可取消隨動控製。

3

、主從耦合（master-slave）

1）主從耦合功能簡介

使用主從耦合方式，兩組電機驅動通過機械耦合到同一跟軸上，主動軸既有位置環也有速度環控製，可以實現精確定位；但dan是shi從cong動dong軸zhou隻zhi有you速su度du環huan，根gen據ju主zhu動dong軸zhou的de速su度du指zhi令ling實shi現xian速su度du環huan的de控kong製zhi，通tong過guo調tiao整zheng主zhu從cong軸zhou的de速su度du差cha完wan成cheng兩liang驅qu動dong間jian力li矩ju輸shu出chu的de平ping衡heng。主zhu從cong耦ou合he方fang式shi是shi選xuan項xiang功gong能neng，訂ding貨huo號hao是shi6FC5800-0AM03-0YB0，主從控製原理圖如下圖4所示。

圖4：主從耦合控製原理圖

在葉片粗加工過程中，選用主從耦合

，盡管從動軸沒有位置環控製
，但由於是粗加工
，對加工精度要求不高，所以影響不大；主從耦合方式通過力矩補償控製器對頭、尾架電機的力矩進行分配
，保證頭、尾架驅動電機處於最佳的力矩耦合狀態
，可以很好的解決在粗加工過程中的葉片加工變形問題。

2）主從耦合控製的實現

zaiyepiancujiagongguochengzhong
，kongzhicelvecaiyongzhucongouhemoshi
，jinguancongdongzhoumeiyouweizhihuankongzhi
，danyouyushicujiagong
，duijiagongjingduyaoqiubugao，suoyiyingxiangbuda；主從耦合方式通過力矩補償控製器對頭、尾架電機的力矩進行分配，保證頭
、尾架驅動電機處於最佳的力矩耦合狀態，可以很好的解決在粗加工過程中的葉片加工變形問題。

采用主從耦合模式時
，主要機床參數設置如下：（注：參數需要設置在從動軸上）

MD37250 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_SPEED_CMD = ”4”

速度耦合的主動軸的機床軸號，A1軸為第4根軸
；

MD37252 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR = ”4”

力矩耦合的主動軸的機床軸號，A1軸為第4根軸
；

MD37253 $MA_MS_FUNCTION_MASK = ”1”

主從耦合設置
，sl 上推薦設置1，MD37256、MD37260使用設置值
；

MD37254 $MA_MS_TORQUE_CTRL_MODE = ”1”

力矩補償控製器的輸出方式
，0：輸出到主動軸和從動軸；  1：輸出到從動軸
；

　　　　　　　　　　　　　2：輸出到主動軸；  　　　　3：無輸出

；

MD37255 $ MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION = ”1”

力矩補償控製器的激活方式
，0：通過MD37254；1：通過信號DB3*.DBX24.4；

MD37256 $ MA_MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN = ”50”

力矩補償控製器的P增益，範圍：0~100，

設置值為MD32000（軸最大速度） / P2003（從動軸額定扭矩）的百分數
；

MD37258 $ MA_MS_TORQUE_CTRL_I_TIME = ”0.1”

力矩補償控製器的積分時間，增益>0時，積分時間有效；

MD37260 $ MA_MS_MAX_CTRL_VELO= ”100”

力矩補償控製器的最大速度
，MD32000的百分比，範圍：0~100；

MD37262 $ MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE = ”0”

主從耦合的激活方式

，0：臨時耦合，通過NC指令MASLON或接口信號DB3*.DBX24.7;

　　　　　　　　　　1：永久耦合，NC或PLC控製無效。

MD37264 $ MA_MS_TENSION_TORQUE = ” 0”

主從軸間的張力

，張力為參考力矩的百分比

，正負值調整脹緊方向，範圍：-100~100；

MD37266 $ MA_MS_TENSION_TORO _FILTER_TIME = ” 0”

張力調整的濾波器時間常數，值>0
，張力調整濾波器有效，範圍：0~100，單位：秒；

MD37268 $ MA_MS_ TORQUE_WEIGHT_SLAVE = ”50”

從軸力矩占總力矩的百分比，若主
、從電機一樣
，設為50
，範圍：0~100；

MD37270 $ MA_MS_ VELO_TOL_COARSE = ”5”

主從速度差的粗定位窗口，窗口設置值為MD32000的百分比，範圍：0~100；

MD37272 $ MA_MS_ TORQUE_ VELO_TOL_FINE  = ”1”

主從速度差的精定位窗口，窗口設置值為MD32000的百分比
，範圍：0~100；

MD37274 $ MA_MS_ MOTION_ DIR_REVERSE = ”0”

反向從動軸的移動方向，0：從軸耦合方向不變；1：從軸耦合方向取反。

4、機床坐標係耦合（machine coordinate system coupling）

1）機床坐標係耦合簡介

zaijichuangzhong，ruguoyoulianggehuolianggeyishangxiangduidulidejichuangtouxuyaowanchengxiangtongdedongzuo，danshiquebunengtongguobiaozhundeouhegongnengshixianshi，keyishiyongjichuangzuobiaoxiouhegongnengshixiantongbudedongzuo


，jijianligezidulidezuobiaoxi
，gezizuobiaoxixiadejigezhouzaiyundongshitongguoweizhijiancehebuchangdenggongnengshixianzuobiaozhouzhijiandeweizhitongbu。zaijichuangzuobiaoxiouhekongzhixiadezhou，juyouweiyihesudutongbugongneng，yitongyangdesudujinxingyundong

，sudufangxiangkeyixiangtong，yekeyixiangfan ，並可將兩個軸的位置誤差控製在設定的範圍內。

機床坐標係耦合下的主動軸可以有1個或者多個從動軸

，但是從動軸與主動軸之間不能互換；對於從動軸而言，不能是PLC軸
，也不能作為控製軸
，並且在JOGmoshixia，congdongzhoubunengdandudongzuo。ciwai，yingyongjichuangzuobiaoxiouhegongneng，yaoqiuzhudongzhouhecongdongzhoubixutongshixuanzhuanzhouhuotongshizhixianzhou
，qiezhudongzhouhecongdongzhoubunengshizhuanhuanzhou，zhuzhoubunengshiyongjichuangzuobiaoxiouhegongneng。

需要特別注意的是，機床坐標係耦合功能的激活和關閉，是不可以通過PLC接口信號控製的
，隻能通過NC指令CC_COPON和CC_COPOFF打開或關閉。激活機床坐標係耦合功能後
，在軸診斷畫麵下可以看到，從動軸的控製狀態由速度控製改為位置控製。

機床坐標係耦合是選項功能
，訂貨號為6FC5800-0AM72-0YB0，這個一個選項包，激活授權時需要同時選中這個訂貨號，以及6FC5800-0AM23-0YB0，功能才可以生效。

在下圖5中，機床頭1和機床頭2分別由5個坐標軸驅動，其在機械上間接相連
，擁有各自獨立的坐標係，兩個坐標係下的 Y和Y2
、Z和Z2、W和W2、A和A2以及C和C2，這5對坐標軸均可通過機床坐標係實現耦合控製。

圖5：機床坐標係耦合示意圖

2）機床坐標係耦合功能的實現

葉片精加工時，對頭、尾架電機的定位精度有著嚴格要求
，因此采用機床坐標係耦合功能，但該功能是不可以通過PLC接口信號控製的，隻能通過NC指令CC_COPON和CC_COPOFF打開或關閉，如果每次都在程序中輸入這幾個指令比較麻煩
，因此使用M代碼調用。此外，出於安全的考慮
，除了在葉片裝夾的過程中
，尾架可以隨動，其餘狀態下，頭、尾架都是在同步狀態，因此在用M代碼打開或是關閉機床坐標係耦合的同時，應該相應的關閉或是打開主從耦合功能。

通用參數設置如下：

MD10715 [5] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE = ”65”

MD10715 [6] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE = ”66”

MD10716 [5] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE_NAME = ” L65_MCSON”

MD10716 [6] $ MN_M_NO_FCT_CYCLE_NAME = ” L66_MCSOFF”

再將以下兩個程序拷入製造商循環目錄下即可。

L65_MCSON.SPF；

MASLOF(AA)

CC_COPON(A,AA)

M17

L66_MCSOFF.SPF；

CC_COPOFF(A,AA)

MASLON(AA)

M17

軸參數設置（注：參數需要設置在從動軸上）

MD28090 $ MM_NUM_CC_BLOCK_ELEMENTS = ”1”

用於編譯循環的程序段元素的數量（DRAM）
；

MD28100 $ MM_NUM_CC_BLOCK_USER_MEM = ”100”

用於編譯循環的程序段存儲器容量（DRAM），單位KB
；

MD60946 $MN_CC_ACTIVE_IN_CHAN_MCSC = ”1”

通用參數
，選項功能激活，設置為1後需要PO複位，複位後在軸參數中
，才可以搜索到以下的參數
；

MD63540 $ MA_CC_MASTER_AXIS = ”4”

機床坐標係耦合的主動軸的機床軸號，A1軸為第4根軸；

MD63541 $ MA_CC_POSITION_TOL = ”0.5”

從動軸的監控窗口，此窗口檢測的是絕對位置；

MD63542 $ MA_CC_PROTEC_MASTER = ”0”

碰撞防護對應的主動軸
，頭
、尾架不會發生碰撞，故不需要使用碰撞保護功能；

MD63543 $ MA_ CC_PROTEC_OPTIONS = ”0”

碰撞防護功能的配置；

MD63544 $ MA_ CC_COLLISION_WIN = ”-1”

碰撞防護窗口；

MD63545 $ MA_ CC_OFFSET_MASTER = ”0”

用於碰撞防護的零點偏置。

5、控製方式的切換

綜上所述，頭尾架的控製策略同時使用了隨動、主從和坐標係耦合三種控製方式，考慮到機床操作的安全性和便利性，應用Easy Screen功能設計用戶界麵，操作者通過點擊界麵中的垂直按鍵，即可激活對應的控製方式。

SINUMERIK 840D sl數控係統的硬盤路徑F:\HMI\hmisl\oem\sinumerik\hmi\下有兩個文件夾

，文件夾cfg中存放的是界麵控製的架構文件，文件夾proj中存放製造商二次開發用的界麵文件。

1）修改配置文件easyscreen.ini，指定尾架自動控製界麵的存放位置
，在係統的診斷畫麵下：[STARTFILES]

StartFile07 = area := AreaDiagnosis, dialog:=SlDgDialog, startfile := diag.com；

2）編製頭尾架控製方式切換的界麵程序
，存放在文件夾prog下，文件名為diag.com，因為機床坐標係耦合是必須用指令激活的，所以做界麵時使用了文件功能“選擇程序SP”語句，例如，機床坐標係耦合方式激活，對應語句SP("//NC/CMA.DIR/ L65_MCSON.SPF ")
；

3）程序傳入路徑F:\HMI\hmisl\oem\sinumerik\hmi\proj\

，係統重啟後
，在係統的診斷畫麵下會出現軟鍵“頭尾架控製”，點dian擊ji該gai鍵jian，即ji可ke進jin入ru頭tou尾wei架jia控kong製zhi方fang式shi切qie換huan界jie麵mian
，在zai界jie麵mian中zhong點dian擊ji對dui應ying的de垂chui直zhi按an鍵jian，再zai按an下xia循xun環huan啟qi動dong鍵jian，即ji可ke以yi激ji活huo對dui應ying的de方fang式shi，同tong時shi，頭tou尾wei架jia的de控kong製zhi狀zhuang態tai也ye可ke以yi在zai界jie麵mian中zhong讀du出chu
，以yi方fang便bian操cao作zuo者zhe實shi時shi監jian控kong。頭tou尾wei架jia控kong製zhi界jie麵mian如ru圖tu6所示。

圖6：頭、尾架控製狀態界麵

四、加工驗證

設計開發完成後
，嵌入多策略控製模式的六台XKH800Z機床在本公司經過了葉片零件的小批量連續加工試驗
，試驗葉片毛坯為方鋼
，尺寸為300×75×45mm，材cai料liao為wei不bu鏽xiu鋼gang。在zai葉ye片pian小xiao批pi量liang連lian續xu加jia工gong試shi驗yan過guo程cheng中zhong，多duo種zhong耦ou合he方fang式shi相xiang結jie合he的de頭tou尾wei架jia控kong製zhi模mo式shi，操cao作zuo方fang便bian有you效xiao，工gong作zuo穩wen定ding可ke靠kao，加jia工gong出chu的de葉ye片pian精jing度du和he表biao麵mian粗cu糙cao度du檢jian測ce合he格ge，通tong過guo了le用yong戶hu的de驗yan收shou。

機床發運至無錫透平葉片廠後，用戶使用該機床進行了多種型號的不鏽鋼方鋼葉片（毛坯長度200～580mm）和模鍛葉片（毛坯長度350～550mm）的de大da批pi量liang生sheng產chan，超chao過guo半ban年nian的de切qie削xue加jia工gong表biao明ming
，機ji床chuang工gong作zuo穩wen定ding可ke靠kao，頭tou尾wei架jia運yun動dong控kong製zhi實shi用yong有you效xiao，得de到dao用yong戶hu好hao評ping
，為wei葉ye片pian加jia工gong精jing度du和he加jia工gong效xiao率lv的de提ti高gao發fa揮hui了le重zhong要yao作zuo用yong。

五、應用體會

通過對SINUMERIK 840D SL數控係統主從耦合


、隨動控製
、機ji床chuang坐zuo標biao係xi耦ou合he三san個ge功gong能neng的de綜zong合he應ying用yong，形xing成cheng了le可ke靠kao有you效xiao的de嵌qian入ru式shi控kong製zhi策ce略lve，實shi現xian了le五wu軸zhou葉ye片pian加jia工gong中zhong心xin的de頭tou尾wei架jia同tong步bu控kong製zhi，解jie決jue了le在zai葉ye片pian裝zhuang夾jia、粗加工和精加工過程中，頭尾架控製上不同需求的問題
，提高了加工效率，滿足了葉片加工的工藝要求，也充分體現了SINUMERIK 840D SL數控係統強大的功能及其良好的開放性。

六
、參考文獻

[1] 畢承恩 丁乃建 現代數控機床   北京機械工業出版社    1991

[2] SINUMERIK 840D SL維修與調整    西門子(中國)有限公司 2013

[3] 範伯寧等 PLC可編程序控製器教程 北京海洋出版社 1993

[4] DOConCD SINUMERIK 03_2013  西門子(中國)有限公司 2013

[5] SINUMERIK 840D sl  Easy Screen (BE2)  2011