Zusammenfassung: Ausgehend von der Beschreibung der Struktur und Eigenschaften des allgemeinen NC-Systems SINUMERIK 840D erörtert dieser Artikel dessen spezifische Anwendung in einer vertikalen Zweirad-Dreh- und -Spannmaschine hinsichtlich Hardwarekonfiguration und Softwareprogrammierung. Schlüsselwörter: SINUMERIK 840D; vertikale Zweirad-Dreh- und -Spannmaschine; SINUMERIK 840D NC-System zur Realisierung einer Zweirad-Dreh- und -Spannmaschine; Wang Xiaowei, Sun Huixue, Wang Zhisong; Fakultät für Maschinenbau der Universität Yanshan, 066004. Zusammenfassung: Ausgehend von der Konfiguration und den Eigenschaften des allgemeinen NC-Systems SINUMERIK 840D erörtert dieser Artikel dessen Anwendung in einer Zweirad-Dreh- und -Spannmaschine hinsichtlich Hardware und Software. Schlüsselwörter: SINUMERIK 840D; Zweirad-Dreh- und -Spannmaschine. Einleitung: Die CNC-Steuerung von Spinnmaschinen begann in den späten 1960er Jahren, damals handelte es sich jedoch nur um einfache CNC-Spinnmaschinen, die über einen CNC-Riemen und eine Werkzeugmaschinensteuerung gesteuert wurden. In der Folge hielten die sich rasant entwickelnde Computersteuerungs- und Mikrocomputertechnologie Einzug in diesen Bereich. Dies führte zur Produktion verschiedener automatischer Spinnmaschinen mit deutlich verbesserten Maschinenstrukturen und Steuerungstechnologien. Eine CNC-Spinnmaschine reduziert nicht nur die Arbeitsbelastung der Mitarbeiter und trägt entscheidend zur Steigerung der Produktionseffizienz und -ausbeute bei, sondern erweist sich auch bei hochpräzisen technischen Anforderungen und komplexen Formen als vorteilhaft. Diese Werkzeugmaschine ist eine Eigenentwicklung der Forschungsgruppe. Ihre spezifischen Anforderungen an das CNC-System sind: 1) Die CNC-Steuerung muss 5 Achsen ansteuern können (2 Vorschubachsen X, 2 Vorschubachsen Z und 1 Drehachse C); 2) Die SPS muss mehr als 512 Ein-/Ausgangspunkte verarbeiten können; 3) Der Speicherplatz für das Benutzerprogramm der SPS muss mehr als 128 KB betragen; 4) Die SPS muss über einen vollständigen Funktionsumfang verfügen; 5) Das CNC-System muss eine hohe Rechengeschwindigkeit für die Echtzeitberechnung der XZ-Achsenverkettung aufweisen und benötigt daher eine 32-Bit-CPU. Das SINUMERIK 840D CNC-System erfüllt alle diese Anforderungen. 1. Leistung des CNC-Systems SINUMERIK 840D: Das in den 1990er-Jahren von Siemens eingeführte Hochleistungs-CNC-System SINUMERIK 840D basiert auf einer umfassenden Systemplattform und ist dank Systemeinstellungsfunktionen mit allen Steuerungssystemen kompatibel. Zusammen mit dem digitalen Antriebssystem SIMODRIVE 611D und der speicherprogrammierbaren Steuerung SIMATIC S7 bildet die 840D ein volldigitales Steuerungssystem für die Bearbeitung komplexer Teile. Im Vergleich zu anderen Systemen zeichnet sich die 840D durch überlegene Dynamik und Regelgenauigkeit aus. Der Einsatz der SINUMERIK 840D bietet eine integrierte Steuerungslösung und steigert die Produktionseffizienz der Anlage deutlich. 2. Hardware-Design: Diese Spinnmaschine arbeitet mit einer elektrohydraulischen Servoregelung in Querrichtung. Ihr Vorschubmechanismus nutzt importierte elektrohydraulische Servoventile und -verstärker, Servozylinder und Linear-Encoder zur Bildung eines geschlossenen Regelkreises. Alle Komponenten stammen von Rexroth (Deutschland). Die beiden Spinnräder sind um 180° versetzt. Der Querservozylinder verwendet reibungsarme Dichtungselemente aus Ungarn, was zu einer hervorragenden Servoleistung führt. Das Längsvorschubsystem besteht aus einem Siemens-Servomotor, einem Encoder, einem Getriebe, einer Kugelumlaufspindel und einem Radgehäuse und bildet ein halbgeschlossenes Regelsystem. Dieses System verwendet eine Kugelumlaufspindel und ein drehmomentstarkes Getriebe; beide Lager in der Spindelhalterung stammen von SKF (Schweden) und gewährleisten so eine hohe Systemsteifigkeit. Die Kompensation von Steigungsfehlern und Spiel der Kugelumlaufspindel verbessert die Genauigkeit des Längsvorschubsystems. 2.1 Zusammensetzung des SINUMERIK 840D CNC-Systems: Das SINUMERIK 840D ist ein mikroprozessorgesteuertes digitales Steuerungssystem zur Ansteuerung von Werkzeugmaschinen mit digitalen Antrieben. Es besteht im Wesentlichen aus der NCU (Numerische Steuereinheit), der MMC (Manuelle Maschinenschnittstelle), der Antriebseinheit und der SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung). Die Hardware-Zusammensetzung ist in Abbildung 1 dargestellt: 1) NCU: Die NCU ist das Herzstück der CNC-Steuerungskomponenten. Aufgrund der unterschiedlichen Speicherkapazitäten von NC und SPS verwendet diese Werkzeugmaschine die NCU571.3-Serie (Steuerung von 31 Achsen). 2) Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMC): Die MMC dient der grafischen Darstellung und numerischen Eingabe. Sie besteht im Wesentlichen aus CPU, MCP und Bedienfeld. Entsprechend den Anforderungen dieser Werkzeugmaschine wurden das Bedienfeld OP 010, der Computer der MMC 103-Serie und das für Drehmaschinen vorgesehene MCP ausgewählt. 3) Antriebseinheit: Das SINUMERIK 840D-System verwendet einen volldigitalen Servoantrieb, SIMODRIVE 611D. Dieser kann mit einem 1FT 6-Vorschubmotor zu einem Vorschubantrieb und mit einem 1PH 7-Spindelmotor zu einem Spindelantrieb kombiniert werden. Das Encodersignal ist eine 1-Vpp-Sinuswelle, wodurch eine Regelung im geschlossenen Regelkreis ermöglicht wird. 4) Programmierbare Steuerung (SPS): Das SINUMERIK 840D-System integriert eine S7-300-2DP-SPS und erweitert externe E/A-Module über das Kommunikationsmodul IM 361. Darüber hinaus nutzt das SINUMERIK 840D die MPI-Bustechnologie (Multiple Point Interface) mit einer Übertragungsrate von 187,5 kbit/s. 3. Software-Design: Das Software-Design des SINUMERIK 840D umfasst die Verarbeitung von Schnittstellensignalen zwischen NCU und MMC, zwischen NCU und SPS sowie zwischen SPS und MMC; die Konfiguration von NC-Parametern (einschließlich verschiedener Kompensationen); und die Verarbeitung von SPS-Alarmmeldungen. 3.1 SPS-Anwendungsdesign 3.1.1 Hardware-Konfiguration der S7-300: Die Siemens S7-300 ist eine modulare programmierbare Steuerung mit Vorteilen wie kompakter Bauweise, hoher Zuverlässigkeit, geringen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen, komfortabler Programmierung, umfangreichen Programmierbefehlen, einfacher Netzwerkanbindung und geringem Wartungsaufwand. Dieses System besteht aus einem Netzteilmodul (PS 307), einem Schnittstellenmodul (IM 361), einem Analogeingangsmodul (SM 321), einem Analogausgangsmodul (SM 322) und einem Digitalausgangsmodul (SM 332). Die Module sind in einem Rack montiert, die CPU ist die integrierte CPU des SINUMERIK 840D. Das Hardware-Konfigurationsdiagramm des Systems ist in Abbildung 2 dargestellt: Rack: PS 307 (5A) IM361 DI DI DI DO DO DO AO Abbildung 2 Hardware-Konfigurationsdiagramm des Systems. Nach dem Anschluss der Hardware muss beim Starten des SPS-Programm-Debuggings ein Master-Reset der SPS durchgeführt werden. Nach Abschluss des Master-Resets kann das SPS-Programm debuggt werden. Der SINUMERIK 840D verwendet die SIMATIC S7-300 SPS. Daher wird STEP 7 als Debugging-Software verwendet. Mithilfe der SPS-Programmierfunktion kann das SPS-Programm Signale von der NCU, der Werkzeugmaschine und dem Maschinenbedienfeld verarbeiten und gleichzeitig Not-Aus- und Überfahrsignale in Echtzeit überwachen sowie die Positionssteuerung der Koordinatenachsen realisieren. 3.1.2 SPS-Basisprogramme Siemens stellt mehrere SPS-Basisprogramme bereit. Anwender können diese Standardfunktionsbausteine ​​je nach Bedarf aufrufen. Vom System belegte Funktionsbausteine ​​können nicht bearbeitet werden. In der Regel können Anwender FB36-FB255 verwenden. Die Basisprogramme für FC36-FC255 werden von der Toolbox bereitgestellt. Die Basisprogrammbibliothek besteht aus Organisationsbausteinen (OBs), Funktionen (FCs), Funktionsbausteinen (FBs) und Datenbausteinen (DBs). OB1 ist die Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem und dem Anwenderprogramm. FCs oder FBs müssen innerhalb eines Organisationsbausteins (OB) aufgerufen werden. Ein Funktionsbaustein (FC) ist ein logischer Operationsbaustein, ähnlich einem Funktionsbaustein, jedoch ohne Speicherbelegung. FCs benötigen keinen Hintergrunddatenbaustein. Temporäre Variablen werden bis zum Ende der Funktion im lokalen Stack gespeichert. Nach Beendigung der Funktionsausführung gehen die verwendeten Variablen verloren. Ein Funktionsbaustein (FB) ist eine Funktion oder Funktionsgruppe innerhalb eines logischen Operationsbausteins. Innerhalb des Operationsbausteins wird Speicher reserviert, in dem Variablen gespeichert werden. FBs benötigen zusätzlichen Speicher vom Hintergrunddatenbaustein. Parameter werden über den Hintergrunddatenbaustein übergeben, und einige lokale Parameter werden ebenfalls in diesem Bereich gespeichert. Andere temporäre Variablen werden im lokalen Stack gespeichert. Daten, die im Hintergrunddatenbaustein gespeichert sind, bleiben auch nach Schließung des Funktionsbausteins erhalten. Datenbausteine ​​(DBs) unterscheiden sich von Logikbausteinen; sie enthalten keine STEP7-Anweisungen. Sie dienen der Speicherung von Benutzerdaten. DBs können unterschiedlich groß sein. Benutzer können Datenbausteine ​​beliebig strukturieren, um ihren jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden. Beim Start von CPU und NCK muss eine Datenschnittstelle zwischen SPS und NCK eingerichtet werden. Dies erfordert das Ausfüllen der SPS- und NCK-Schnittstellenkonfigurationsdatei beim SPS-Start (d. h. bei Ausführung von OB100). Die Konfiguration der Schnittstellenparameter erfolgt durch FB1, das innerhalb von OB100 aufgerufen werden muss. Die Parametereinstellungen von FB1 sind im Datenblock DB7 gespeichert. Der Aufruf erfolgt wie folgt: Call FB1,DB7 MCPNum:=1 //Anzahl der aktiven MCPs MCP1In:=P#I100.0 //Startadresse der Eingangssignale MCP1 MCP1Out:=P#Q100.0 //Startadresse der Ausgangssignale MCP1 MCP1StatSend:=P#Q108.0 //Status-DW für die Übertragung MCP1 MCP1StatRec:=P#Q112.0 //Status-DW für den Empfang MCP1 MCP1BusAdr:=6 //Busadresse des Maschinenbedienfelds MCP1Cycl:=S5T#200MS //Zeitreferenz für die zyklische Aktualisierung der Signale am Maschinenbedienfeld MCP1Timeout:=S5T#700ms //Zyklische Lebenszeichenüberwachung für das Maschinenbedienfeld. Siemens stellt Anwendern ein Standard-Werkzeugmaschinenbedienfeld (MCP) zur Verfügung. Bei Verwendung des Standard-Bedienfelds muss das Basisprogramm FC25 (Drehmaschinenversion) für die MCP-Anwendung in OB1 aufgerufen und die entsprechenden Parameter eingegeben werden. Die genaue Vorgehensweise ist wie folgt: FC25 aufrufen //Maschinenbedienfeld M-Variantensignale an Schnittstelle Modegruppe Nr.:=B#16#1 //Modellgruppe Nr. 1 Kanal Nr.:=B#16#1 //Kanal Nr. 1 Spindel-IF Nr.:=B#16#5 //Spindelschnittstellennummer=5 Vorschubstopp:=M120.0 //Vorschubstoppsignal Spindelstopp:=DB2.DBX153.0 //Spindelstoppsignal Daher müssen Werkzeugmaschinenhersteller nur FB1, FC2, FC3, FC19/FC25 und FC10 berücksichtigen. 3.1.3 Benutzer-Basisprogramm Je nach Bedarf können Benutzer eigene Programmbausteine ​​erstellen. In dieser Konstruktion erstellte der Anwender zusätzlich zu den von Siemens bereitgestellten Basisprogrammbausteinen eigene Programmbausteine ​​wie FC52 (X- und Z-Achsensteuerung), FC53 (Drehachsensteuerung C), FC54 (Reitstocksteuerung), FC59 (Sprühkühlungssteuerung) usw. 3.2 Auswahl der Schnittstellensignale Die Auswahl und Verarbeitung von Schnittstellensignalen ist bei der SPS-Programmierung unerlässlich. Daher ist die Wahl geeigneter Schnittstellensignale im Konstruktionsprozess von entscheidender Bedeutung. Das CNC-System 840D bietet Konstrukteuren eine Vielzahl von Schnittstellensignalen, darunter PLC-NCK-, PLC-MMC- und MMC-NCK-Steuersignale. Zu den in dieser Konstruktion verwendeten Hauptschnittstellensignalen gehören: Achsensteuersignale, Programmsteuersignale, Not-Aus-Signale, Reset-Signale, Hardware-Endschalter und Referenzpunktsignale. 1) Achsensteuersignale: DB31.DBX2.1 (SPS zu NCK X-Achsen-Servofreigabe) DB31.DBX21.7 (SPS zu NCK X-Achsen-Impulsfreigabe) … … DB33.DBX83.5 (SPS zu NCK Drehachse innerhalb des Sollwertbereichs) DB33.DBX83.7 (SPS zu NCK Tatsächliche Drehrichtung der Drehachse) 2) Programmsteuersignale: DB21.DBX0.3 (SPS zu NCK DRF aktiviert) DB21.DBX0.5 (SPS zu NCK M01 aktiviert) DB21.DBX0.6 (SPS zu NCK Leerlaufvorschub aktiviert) 3) Not-Aus-Signale: DB10.DBX56.1 (Universelles Signal Not-Aus-Antwort an NCK) DB10.DBX56.2 (Universelles Signal Not-Aus-Bestätigung an NCK) DB10.DBX106.1 (Universelles Signal Not-Aus gültig von NCK an SPS) 4) Rücksetzsignal DB21.DBX6.0 (SPS-zu-NCK-Vorschub deaktiviert) DB21.DBX6.1 (SPS-zu-NCK-Lesen deaktiviert) DB21.DBX7.7 (SPS-zu-NCK-Rücksetzsignal) 5) Hardware-Endschalter DB31.DBX12.1 (SPS-zu-NCK-Hardware-Endschalter X-Achse positiv) … … DB32.DBX12.0 (SPS-zu-NCK-Hardware-Endschalter Z-Achse negativ) 6) Referenzpunkt DB31.DBX12.7 (SPS-zu-NCK-X-Achse verzögerte Rückkehr zum Referenzpunkt) DB32.DBX12.7 (SPS-zu-NCK-Z-Achse verzögerte Rückkehr zum Referenzpunkt) 3.3 NC-Konfiguration Die NC-Konfiguration der SINUMERIK 840D umfasst hauptsächlich die Konfiguration der Parameterdaten, einschließlich der Werkzeugmaschinen- und Antriebsdateneinstellungen. Die Werkzeugmaschinendaten umfassen: Bedienfelddaten, allgemeine Werkzeugmaschinendaten, Basiskanaldaten, Achsendaten usw. Diese Konstruktion beinhaltet zwei X-Achsen, zwei Z-Achsen und eine Drehachse C. Die Parameter aller Achsen sind identisch konfiguriert. Die folgende Erläuterung veranschaulicht die Konfiguration der Achsenparameter anhand der X-Achse: 1) Werkzeugmaschinendaten auf dem Bedienfeld (MD9000–MD9999): Diese Daten legen das Bedienfeld, die Sprachversion, die Bildschirmauflösung und verschiedene Schutzstufen fest. 2) Allgemeine Werkzeugmaschinendaten (MD10000–MD18999): Diese Daten dienen primär der Definition der Werkzeugmaschinenachsen, der Einstellung und Überwachung der SPS-Laufzeit sowie der Konfiguration benutzerdefinierter Parameter. Einige Werkzeugmaschinendaten lauten wie folgt: MD10000[0]=X // Name der Werkzeugmaschinen-Koordinatenachse X-Achse MD13000[0]=1 // Treiber aktivieren (611D) MD13030[2]=2 // Zweiachs-Antriebsmodul MD13040[2]=1 // Antriebstyp: Vorschubachse 3) Kanaltyp-Werkzeugmaschinendaten (MD20000–MD28999) Kanaltyp-Werkzeugmaschinendaten werden hauptsächlich zum Einstellen von Kanälen, zum Einstellen und Auswählen geometrischer Koordinatenachsen, zum Auswählen der G-Funktion usw. verwendet. Teildaten lauten wie folgt: MD20000=DH2200 // Kanalname MD20050[1]=1 // Geometrische Achsennummer der Werkzeugmaschine auf 1 setzen MD20060[1]=0 // Geometrische Achsenbezeichnung auf 0 setzen MD20070[3]=0 // Gültige Werkzeugmaschinenachsennummer im Kanal setzen 4) Achsen-Werkzeugmaschinendaten (MD30000–MD38999) Achsen-Werkzeugmaschine Die Daten umfassen die Einstellung von Parametern wie Geschwindigkeit, Richtung, Position und Fehlerkompensation jeder Achse des Werkzeugmaschinenkoordinatensystems. Einige Werkzeugmaschinendaten lauten wie folgt: MD30130[0 AX1]=1 //Ausgabetyp: Servomotor; MD30200[0 AX1]=1 //Encodernummer: 1; MD31000[0 AX1]=1 //Direktes Messsystem: Messlatte; MD32000[AX1]=500 U/mm //Maximale Achsengeschwindigkeit der X-Achse; MD32110[AX1]=-1 //Bewegungsrichtung der X-Achse. 4. Fazit: Das Siemens 840D CNC-System zählt zu den fortschrittlichsten Steuerungssystemen weltweit. Es ist aufgrund seiner kompakten Bauweise, seines großen Funktionsumfangs, des einfachen Programmaufbaus, der bequemen Wartung und der stabilen Leistung bei Anwendern sehr beliebt. Der Einsatz in der vertikalen Zweirad-Felgenspinnmaschine verbessert die Genauigkeit der Spinnmaschine und vereinfacht die Bedienung. Referenzen: [1] SINUMERIK 810D/840D Kurzanleitung zur Fehlersuche, Ausgabe 2002 [2] Siemens (China) Co., Ltd. Ausführliche und leicht verständliche Siemens S7-300SPS. Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, August 2004 [3] Xu Zhengping. Siemens 840D CNC-System Mechatronik. Shanghai Science and Technology Literature Press, März 1998 [4] Japan Plastics Processing Society. Spinning Forming Technology. Machinery Industry Press, Februar 1988 [5] Wang Chunfang. Anwendung der S7-300SPS im automatischen Steuerungssystem einer Verbrennungsanlage. China Shipbuilding Industry Eleventh Research Institute, April 2004