一、項(xiàng)目簡介

XKH 系列五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心是北京機(jī)電院機(jī)床有限公司應(yīng)用自主技術(shù)，結(jié)合葉片零件加工特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)的專業(yè)葉片加工機(jī)床，已成功在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用，用戶包括東方汽輪機(jī)廠、無錫葉片廠、黎明發(fā)動(dòng)機(jī)公司等主機(jī)廠，以及為主機(jī)廠進(jìn)行配套加工的專業(yè)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(dān)的國家科技重大專項(xiàng)課題“國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床在葉片加工中的示范應(yīng)用”中，根據(jù)無錫葉片廠對(duì)葉片加工機(jī)床的要求，在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，機(jī)床型號(hào)為XKH800Z，機(jī)床外觀如圖1所示。

XKH800Z五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心采用立柱移動(dòng)結(jié)構(gòu)，五軸聯(lián)動(dòng)，所有坐標(biāo)全閉環(huán)控制，機(jī)床工作臺(tái)沿X軸線左右運(yùn)動(dòng)，立柱沿Y軸前后移動(dòng)，主軸沿Z軸上下移動(dòng)并圍繞回轉(zhuǎn)中心進(jìn)行擺動(dòng)（B軸），Z軸采用雙絲杠進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)（Z1，Z2)，B軸由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；頭架（A1軸）和尾架（A2軸）安裝在工作臺(tái)上，均采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、同步回轉(zhuǎn)，同時(shí)，尾架在工作臺(tái)上通過U軸可以根據(jù)零件尺寸的不同進(jìn)行調(diào)整，切削時(shí)頭尾架則通過液壓進(jìn)行鎖緊。

圖1：XKH800Z外觀圖

二、數(shù)控系統(tǒng)配置

XKH800Z五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心有5個(gè)直線軸（X，Y，Z1，Z2，U），3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（A1，A2，B）和1個(gè)主軸（SP1），共9個(gè)軸需要控制。機(jī)床選用 SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)，由于控制軸數(shù)較多，設(shè)計(jì)通過連接NX模塊增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制性能，因此，控制分為兩部分，一是通過NCU720.3實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸、U軸、X軸、B軸、SP軸的控制，二是通過NX15.3模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)Z1軸、Z2軸、A1軸、A2軸的控制，控制框架圖如圖2所示。

1、控制單元NCU720.3

控制單元NCU720.3控制5個(gè)軸，通過DRIVE-CLiQ接口進(jìn)行模塊間、模塊與電機(jī)編碼器間的通訊。因?yàn)閅軸、U軸、X軸和B軸選用的是1FT7系列標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，電機(jī)自身帶DRIVE-CLiQ接口，可與電機(jī)模塊直接連接；而主軸電機(jī)選用第三方電機(jī)，編碼器信號(hào)需要加配SMC20模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后與電機(jī)模塊進(jìn)行連接。

2、控制單元NX15

控制單元NX15控制4個(gè)軸， 其中A1、A2軸選用1FW6系列力矩電機(jī)，使用海德漢RCN226編碼器進(jìn)行位置檢測，加配外部編碼器模塊SME125將編碼器信號(hào)和電機(jī)溫度傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為DRIVE-CLiQ信號(hào)，接入電機(jī)模塊。

圖2：連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

三、頭尾架運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn) ??

1、同步控制

葉片為薄壁結(jié)構(gòu)，本身剛性較弱，抗彎剛度和抗扭剛度很差，加工時(shí)葉片頭部由頭架夾持，尾部由尾架夾持。如果零件的擺動(dòng)只由頭架進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在加工到葉片尾部時(shí)，由于零件剛度較弱，加工誤差較大。為保證加工精度，設(shè)計(jì)采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)頭架（A1軸）和尾架（A2軸）進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)，起到改善葉片在切削狀態(tài)下的剛度的作用，同時(shí)采用高精度角度編碼器進(jìn)行閉環(huán)控制，以提高運(yùn)動(dòng)精度。

產(chǎn)品最初設(shè)計(jì)時(shí)，頭架（A1軸）和尾架（A2軸）選用GANTRY軸的控制方式，要求兩個(gè)軸時(shí)刻保證位置一致，理論上講，這種位置同步控制是最精確的一種同步方式，但是在實(shí)際加工時(shí)發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問題，第一是在工件裝夾時(shí)，由于頭尾架電機(jī)是GANTRY軸的控制方式，尾架電機(jī)在尾架虎鉗夾緊的瞬間，不能隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)，會(huì)造成葉片扭曲，影響后續(xù)的加工精度，并且尾架電機(jī)扭矩會(huì)加大，久而久之會(huì)影響電機(jī)的使用壽命；第二個(gè)問題是在葉片加工過程中，容易產(chǎn)生回彈，此外，加工中葉片內(nèi)原有殘余應(yīng)力會(huì)逐步釋放，也會(huì)引起葉片加工變形，由于尾架電機(jī)不能隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頭尾架電機(jī)扭矩不一致，影響葉片的精加工精度。

針對(duì)上述問題，結(jié)合SIEMENS 840D SL系統(tǒng)的其它多軸耦合功能，經(jīng)過反復(fù)嘗試和試驗(yàn)，決定采取多策略組合的方式，將頭尾架的控制策略由單一的GANTRY軸同步控制改為裝夾時(shí)的隨動(dòng)控制、粗加工時(shí)的主從耦合、精加工時(shí)的機(jī)床坐標(biāo)系耦合三種方式相結(jié)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(jī)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(dòng)控制（follow-up mode）

1）隨動(dòng)控制簡介

一般控制狀態(tài)下，伺服電機(jī)加上使能后，電機(jī)靠驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生扭力，是無法用外力轉(zhuǎn)動(dòng)的，數(shù)控系統(tǒng)檢測電機(jī)的位置以及速度，如果出現(xiàn)偏差，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警提示。但在隨動(dòng)控制模式下，伺服電機(jī)是可以通過外力轉(zhuǎn)動(dòng)的，比如，人為的用手去轉(zhuǎn)動(dòng)伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)測量系統(tǒng)仍然生效，它的實(shí)際位置值也被記錄下來，同時(shí)從位置畫面可以看到其坐標(biāo)值的變化，系統(tǒng)不會(huì)報(bào)警，并且當(dāng)撤銷跟隨方式時(shí)，也不需要對(duì)各個(gè)進(jìn)給軸重新回參考點(diǎn)。

2）隨動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

在葉片裝夾過程中，控制策略采用隨動(dòng)控制模式，尾架電機(jī)在尾架虎鉗夾緊的瞬間，可以隨著頭架一起旋轉(zhuǎn)，不會(huì)造成葉片扭曲；葉片裝夾完成后，取消隨動(dòng)控制模式，開始進(jìn)行加工。

尾架隨動(dòng)主要是在葉片裝夾時(shí)使用，通過PLC程序，令DB3*.DBX2.1 = “0”、DB3*.DBX1.4 = “1”，即可實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制；反之，令DB3*.DBX2.1 = “1”、DB3*.DBX1.4 = “0”，即可取消隨動(dòng)控制。

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(jī)驅(qū)動(dòng)通過機(jī)械耦合到同一跟軸上，主動(dòng)軸既有位置環(huán)也有速度環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)精確定位；但是從動(dòng)軸只有速度環(huán)，根據(jù)主動(dòng)軸的速度指令實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的控制，通過調(diào)整主從軸的速度差完成兩驅(qū)動(dòng)間力矩輸出的平衡。主從耦合方式是選項(xiàng)功能，訂貨號(hào)是6FC5800-0AM03-0YB0，主從控制原理圖如下圖4所示。

圖4：主從耦合控制原理圖

在葉片粗加工過程中，選用主從耦合，盡管從動(dòng)軸沒有位置環(huán)控制，但由于是粗加工，對(duì)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(bǔ)償控制器對(duì)頭、尾架電機(jī)的力矩進(jìn)行分配，保證頭、尾架驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于最佳的力矩耦合狀態(tài)，可以很好的解決在粗加工過程中的葉片加工變形問題。

2）主從耦合控制的實(shí)現(xiàn)

在葉片粗加工過程中，控制策略采用主從耦合模式，盡管從動(dòng)軸沒有位置環(huán)控制，但由于是粗加工，對(duì)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(bǔ)償控制器對(duì)頭、尾架電機(jī)的力矩進(jìn)行分配，保證頭、尾架驅(qū)動(dòng)電機(jī)處于最佳的力矩耦合狀態(tài)，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(shí)，主要機(jī)床參數(shù)設(shè)置如下：（注：參數(shù)需要設(shè)置在從動(dòng)軸上）

MD37250 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_SPEED_CMD = ”4”

速度耦合的主動(dòng)軸的機(jī)床軸號(hào)，A1軸為第4根軸；

MD37252 $MA_MS_ASSIGN_MASTER_TORQUE_CTR = ”4”

力矩耦合的主動(dòng)軸的機(jī)床軸號(hào)，A1軸為第4根軸；

MD37253 $MA_MS_FUNCTION_MASK = ”1”

主從耦合設(shè)置，sl 上推薦設(shè)置1，MD37256、MD37260使用設(shè)置值；

MD37254 $MA_MS_TORQUE_CTRL_MODE = ”1”

力矩補(bǔ)償控制器的輸出方式，0：輸出到主動(dòng)軸和從動(dòng)軸； ?1：輸出到從動(dòng)軸；

2：輸出到主動(dòng)軸； ?　　　　3：無輸出；

MD37255 $ MS_TORQUE_CTRL_ACTIVATION = ”1”

力矩補(bǔ)償控制器的激活方式，0：通過MD37254；1：通過信號(hào)DB3*.DBX24.4；

MD37256 $ MA_MS_TORQUE_CTRL_P_GAIN = ”50”

力矩補(bǔ)償控制器的P增益，范圍：0~100，

設(shè)置值為MD32000（軸最大速度） / P2003（從動(dòng)軸額定扭矩）的百分?jǐn)?shù)；

MD37258 $ MA_MS_TORQUE_CTRL_I_TIME = ”0.1”

力矩補(bǔ)償控制器的積分時(shí)間，增益>0時(shí)，積分時(shí)間有效；

MD37260 $ MA_MS_MAX_CTRL_VELO= ”100”

力矩補(bǔ)償控制器的最大速度，MD32000的百分比，范圍：0~100；

MD37262 $ MA_MS_COUPLING_ALWAYS_ACTIVE = ”0”

主從耦合的激活方式，0：臨時(shí)耦合，通過NC指令MASLON或接口信號(hào)DB3*.DBX24.7;

1：永久耦合，NC或PLC控制無效。

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(fù)值調(diào)整脹緊方向，范圍：-100~100；

MD37266 $ MA_MS_TENSION_TORO _FILTER_TIME = ” 0”

張力調(diào)整的濾波器時(shí)間常數(shù)，值>0，張力調(diào)整濾波器有效，范圍：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(jī)一樣，設(shè)為50，范圍：0~100；

MD37270 $ MA_MS_ VELO_TOL_COARSE = ”5”

主從速度差的粗定位窗口，窗口設(shè)置值為MD32000的百分比，范圍：0~100；

MD37272 $ MA_MS_ TORQUE_ VELO_TOL_FINE ?= ”1”

主從速度差的精定位窗口，窗口設(shè)置值為MD32000的百分比，范圍：0~100；

MD37274 $ MA_MS_ MOTION_ DIR_REVERSE = ”0”

反向從動(dòng)軸的移動(dòng)方向，0：從軸耦合方向不變；1：從軸耦合方向取反。

4、機(jī)床坐標(biāo)系耦合（machine coordinate system coupling）

1）機(jī)床坐標(biāo)系耦合簡介

在機(jī)床中，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上相對(duì)獨(dú)立的機(jī)床頭需要完成相同的動(dòng)作，但是卻不能通過標(biāo)準(zhǔn)的耦合功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以使用機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能實(shí)現(xiàn)同步的動(dòng)作，即建立各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，各自坐標(biāo)系下的幾個(gè)軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)通過位置檢測和補(bǔ)償?shù)裙δ軐?shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸之間的位置同步。在機(jī)床坐標(biāo)系耦合控制下的軸，具有位移和速度同步功能，以同樣的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，速度方向可以相同，也可以相反 ，并可將兩個(gè)軸的位置誤差控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

機(jī)床坐標(biāo)系耦合下的主動(dòng)軸可以有1個(gè)或者多個(gè)從動(dòng)軸，但是從動(dòng)軸與主動(dòng)軸之間不能互換；對(duì)于從動(dòng)軸而言，不能是PLC軸，也不能作為控制軸，并且在JOG模式下，從動(dòng)軸不能單獨(dú)動(dòng)作。此外，應(yīng)用機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，要求主動(dòng)軸和從動(dòng)軸必須同是旋轉(zhuǎn)軸或同是直線軸，且主動(dòng)軸和從動(dòng)軸不能是轉(zhuǎn)換軸，主軸不能使用機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能。

需要特別注意的是，機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的激活和關(guān)閉，是不可以通過PLC接口信號(hào)控制的，只能通過NC指令CC_COPON和CC_COPOFF打開或關(guān)閉。激活機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能后，在軸診斷畫面下可以看到，從動(dòng)軸的控制狀態(tài)由速度控制改為位置控制。

機(jī)床坐標(biāo)系耦合是選項(xiàng)功能，訂貨號(hào)為6FC5800-0AM72-0YB0，這個(gè)一個(gè)選項(xiàng)包，激活授權(quán)時(shí)需要同時(shí)選中這個(gè)訂貨號(hào)，以及6FC5800-0AM23-0YB0，功能才可以生效。

在下圖5中，機(jī)床頭1和機(jī)床頭2分別由5個(gè)坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)，其在機(jī)械上間接相連，擁有各自獨(dú)立的坐標(biāo)系，兩個(gè)坐標(biāo)系下的 Y和Y2、Z和Z2、W和W2、A和A2以及C和C2，這5對(duì)坐標(biāo)軸均可通過機(jī)床坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)耦合控制。

圖5：機(jī)床坐標(biāo)系耦合示意圖

2）機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能的實(shí)現(xiàn)

葉片精加工時(shí)，對(duì)頭、尾架電機(jī)的定位精度有著嚴(yán)格要求，因此采用機(jī)床坐標(biāo)系耦合功能，但該功能是不可以通過PLC接口信號(hào)控制的，只能通過NC指令CC_COPON和CC_COPOFF打開或關(guān)閉，如果每次都在程序中輸入這幾個(gè)指令比較麻煩，因此使用M代碼調(diào)用。此外，出于安全的考慮，除了在葉片裝夾的過程中，尾架可以隨動(dòng)，其余狀態(tài)下，頭、尾架都是在同步狀態(tài)，因此在用M代碼打開或是關(guān)閉機(jī)床坐標(biāo)系耦合的同時(shí)，應(yīng)該相應(yīng)的關(guān)閉或是打開主從耦合功能。

通用參數(shù)設(shè)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(gè)程序拷入制造商循環(huán)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(shù)設(shè)置（注：參數(shù)需要設(shè)置在從動(dòng)軸上）

MD28090 $ MM_NUM_CC_BLOCK_ELEMENTS = ”1”

用于編譯循環(huán)的程序段元素的數(shù)量（DRAM）；

MD28100 $ MM_NUM_CC_BLOCK_USER_MEM = ”100”

用于編譯循環(huán)的程序段存儲(chǔ)器容量（DRAM），單位KB；

MD60946 $MN_CC_ACTIVE_IN_CHAN_MCSC = ”1”

通用參數(shù)，選項(xiàng)功能激活，設(shè)置為1后需要PO復(fù)位，復(fù)位后在軸參數(shù)中，才可以搜索到以下的參數(shù)；

MD63540 $ MA_CC_MASTER_AXIS = ”4”

機(jī)床坐標(biāo)系耦合的主動(dòng)軸的機(jī)床軸號(hào)，A1軸為第4根軸；

MD63541 $ MA_CC_POSITION_TOL = ”0.5”

從動(dòng)軸的監(jiān)控窗口，此窗口檢測的是絕對(duì)位置；

MD63542 $ MA_CC_PROTEC_MASTER = ”0”

碰撞防護(hù)對(duì)應(yīng)的主動(dòng)軸，頭、尾架不會(huì)發(fā)生碰撞，故不需要使用碰撞保護(hù)功能；

MD63543 $ MA_ CC_PROTEC_OPTIONS = ”0”

碰撞防護(hù)功能的配置；

MD63544 $ MA_ CC_COLLISION_WIN = ”-1”

碰撞防護(hù)窗口；

MD63545 $ MA_ CC_OFFSET_MASTER = ”0”

用于碰撞防護(hù)的零點(diǎn)偏置。

5、控制方式的切換

綜上所述，頭尾架的控制策略同時(shí)使用了隨動(dòng)、主從和坐標(biāo)系耦合三種控制方式，考慮到機(jī)床操作的安全性和便利性，應(yīng)用Easy Screen功能設(shè)計(jì)用戶界面，操作者通過點(diǎn)擊界面中的垂直按鍵，即可激活對(duì)應(yīng)的控制方式。

SINUMERIK 840D sl數(shù)控系統(tǒng)的硬盤路徑F:HMIhmisloemsinumerikhmi下有兩個(gè)文件夾，文件夾cfg中存放的是界面控制的架構(gòu)文件，文件夾proj中存放制造商二次開發(fā)用的界面文件。

1）修改配置文件easyscreen.ini，指定尾架自動(dòng)控制界面的存放位置，在系統(tǒng)的診斷畫面下：[STARTFILES]

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

2）編制頭尾架控制方式切換的界面程序，存放在文件夾prog下，文件名為diag.com，因?yàn)闄C(jī)床坐標(biāo)系耦合是必須用指令激活的，所以做界面時(shí)使用了文件功能“選擇程序SP”語句，例如，機(jī)床坐標(biāo)系耦合方式激活，對(duì)應(yīng)語句SP("http://NC/CMA.DIR/ L65_MCSON.SPF ")；

3）程序傳入路徑F:HMIhmisloemsinumerikhmiproj，系統(tǒng)重啟后，在系統(tǒng)的診斷畫面下會(huì)出現(xiàn)軟鍵“頭尾架控制”，點(diǎn)擊該鍵，即可進(jìn)入頭尾架控制方式切換界面，在界面中點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的垂直按鍵，再按下循環(huán)啟動(dòng)鍵，即可以激活對(duì)應(yīng)的方式，同時(shí)，頭尾架的控制狀態(tài)也可以在界面中讀出，以方便操作者實(shí)時(shí)監(jiān)控。頭尾架控制界面如圖6所示。

圖6：頭、尾架控制狀態(tài)界面

四、加工驗(yàn)證

設(shè)計(jì)開發(fā)完成后，嵌入多策略控制模式的六臺(tái)XKH800Z機(jī)床在本公司經(jīng)過了葉片零件的小批量連續(xù)加工試驗(yàn)，試驗(yàn)葉片毛坯為方鋼，尺寸為300×75×45mm，材料為不銹鋼。在葉片小批量連續(xù)加工試驗(yàn)過程中，多種耦合方式相結(jié)合的頭尾架控制模式，操作方便有效，工作穩(wěn)定可靠，加工出的葉片精度和表面粗糙度檢測合格，通過了用戶的驗(yàn)收。

機(jī)床發(fā)運(yùn)至無錫透平葉片廠后，用戶使用該機(jī)床進(jìn)行了多種型號(hào)的不銹鋼方鋼葉片（毛坯長度200～580mm）和模鍛葉片（毛坯長度350～550mm）的大批量生產(chǎn)，超過半年的切削加工表明，機(jī)床工作穩(wěn)定可靠，頭尾架運(yùn)動(dòng)控制實(shí)用有效，得到用戶好評(píng)，為葉片加工精度和加工效率的提高發(fā)揮了重要作用。

五、應(yīng)用體會(huì)

通過對(duì)SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)主從耦合、隨動(dòng)控制、機(jī)床坐標(biāo)系耦合三個(gè)功能的綜合應(yīng)用，形成了可靠有效的嵌入式控制策略，實(shí)現(xiàn)了五軸葉片加工中心的頭尾架同步控制，解決了在葉片裝夾、粗加工和精加工過程中，頭尾架控制上不同需求的問題，提高了加工效率，滿足了葉片加工的工藝要求，也充分體現(xiàn)了SINUMERIK 840D SL數(shù)控系統(tǒng)強(qiáng)大的功能及其良好的開放性。