西门子SINUMERIK数控系统编程的二次开发及应用.pdf

2 Vo 1 2 5 陕西科技大学学 报 J OURNAL OF S HAANXI UNI VERS I TY OF S CI ENCE TE CHNOL OGY Apr 2 007 l O 5 文章编号：i 0 0 0-5 8 1 i(2 0 0 7)0 2-0 1 0 5 0 4 西 门子 S I NUME RI K 数控 系统 编程 的二次开发及应 用 杨 军(上海 烟草机械有 限责任公 司，上 海 2 0 1 2 0 6)摘 要：通过对西门子 S i n u me r i k数控 系统编程 平台的分析，概括 了其 高级编程的功能特点，结合实际加 工中零件 坐标 系建立、刀具 自动补偿等具有普遍性 的问题，运 用 S i n u me r i k 8 4 0 C 系统 CI 8 0 0子程序语言编写 了参数化的加工程序和功能循环 以具体 实例介绍 了其编程原理 以及在提 高零件加工精度和加工效率方面的实用性，并 阐述 了数控编程二 次开发的工艺技术 特 点和 应 用价值 关键 词：S i n u me r i k数 控 系统；C L 8 0 0子程 序 语 言；零 点设 置；刀具 自动补 偿 中图分 类号：T G6 5 9 文 献标 识码：A 0 引言 数控机床已在世界各工业国家得到 了普遍应用，它具有高精度、高效率、工艺范围广等优点，改变 了传 统机床的多工序、多工种的加工方法，减少了工件的装夹及 中间流转环节，也减少 了对零 件加工精度的人 为影响，以高精度光栅尺为基础的机床测量和反馈系统更使其所加工的零件在尺寸一致性和精度方 面得 到了保证 作为数控机床“控制 中枢”的数控系统 随着计算机技术的发展而功能 日趋强大 就程序编制而言，当代 数控系统具有两方面特点：第一，应用高级计算机语言使数控程序编制更便捷 第二，面向用户 的开放式功 能循环的程序结构能更广泛地满足各种加工过程的个性化要求 目前应用较多的西门子、法那科等数控系 统都有这样的发展趋势，其 中尤其 以西 门子 S i n u me r i k数控系统更具此方面的优势 在加工编程中，通过对系统功能的理解掌握，利用其开放式功能循环 的结构特点，结合实际工艺要求 进行编程二次开发，可 以解决一些加工 中经 常遇到的工 艺问题，保证零件的加工质量，降低成本，提高效 率 作者以西门子 S i n u me r i k数控系统 为例并结合应用实例进行 了分析 1 西 门子 S i n u me r i k数 控 系统 简介 和编 程 平 台分 析 1 1 系统 简介 S i n u me r i k是西 门子数控系统的代表，目前应用较普遍 的西门子 S i n u me r i k 8 4 0 C、8 4 0 D等系统都具有 3个 C P U结构：人机通信 C P u(MMC C P u)、数字控制 C P u(NC C P u)和可编程逻辑控制器 C P u(P L C C P U)3个部分在功能上既相互分工，又互为支持，在复杂 的系统平 台上通过系统设定而适于各种控制技 术 S i n u me r i k数字驱动系统和 S i ma t i c 可编程控制器构成 了全数字控制系统，具有高度的模块化、开放性 以及规范化的结构，并具有优异的动态品质和控制精度，不但适于操作、编程和监控，而且适于各种复杂加 工 任务 的控 制 1 2 编 程 平 台分析 S i n u me r i k数控系统的 NC程序编制不再是单单实现轴的运动或机床的动作，可以说 NC程序所编写 的内容已经不再局限于 NC范围，而是向 P L C、HMI 方面做出了极大的扩展_ 1 例如，在 NC程序中可以 进行逻辑判断，可以读写 P L C的信号和数据；还可以在 NC程序 中对文件进行拷贝、粘贴、删除、传送以及*收稿 日期：2 0 0 7 0 1 1 3 作者简介：杨军(1 9 6 9 一)，男，上海市人，工程 师，研究方 向：机械加工工艺及数控编程 维普资讯 http:/ 1 0 6 陕西科技大 学学报 第 2 5卷 修改编辑纯 HMI 相关的操作。实现这样的扩展，除 了以 NC、P L C、HMI 之间完善的通讯机制作为基础外，还有赖于三者各 自的独立性和开放性。此扩展使得 NC编程的指令集异常丰富，可以实现 NC程序 的诸如 条件判断、程序跳转、用户变量定义、函数引入、同步动作、宏程序、中断、字符等许多的实用操作 对于 S i n u me r i k数控系统而言，循环主要有以下几种形式：工艺循环、测量循环、用户循环、I S O兼容 循环、编译循环等 从编程角度来看，这些循环具有以下 3个显著 的特点，即易于使用、开放灵活、更新迅 速 S i n u me r i k数控系统中的循环，尤其是工艺循环和测量循 环的开放性 主要体现在两方面：(1)所有 的 工艺循环和测量循环都是以子程序的方式提供的，因此如有必要可以进行修改 比如对于某个标准循环，用户可以根据需要改变其动作 的先后顺序，或动作的添加及删减等等；(2)根据机床的工艺要求，用户可以 非常方便地编制 自己的用户循环。基于以上特点，可以结合加工实际需要进行编程的二次开发来优化加工工艺 作者以 S i n u me r i k 8 4 0 C 数控系统为基础列举了两个编程开发应用的实例 2 西 门子 S I NUME R I K8 4 O C数 控 系统二 次开 发编 程及 应 用 2。1 加 工零 点的 设置 及 坐标 系的建 立 对任何工件来说，零点的设置是所有加工的基础，同时也是一个繁复的环节 以前操作者常用对板、千 分表对出某一面零点的 X、y、Z数值，再根据 图纸要求，计算出各面的零点位置，并输入零点偏置存储器，这种做法对操作者实际经验要求较高 同时，复杂的计算过程也容易导致差错 实际上，可运用西门子 S I NUME R I K8 4 O C数控系统中的 C L 8 0 0 子程序编程技术，利用系统 的测量及 参数计算功能 自动完成工件 各面的零 点设置及坐标系 的建立 C L 8 0 0子程序 编程语 言是西门子 S I NU ME RI K8 4 0 C系统中一个具有强大数据处理及参数再分配功能的软件 利用它可以获取机床 的各种内部 数据参数，经过运算再分配到各通道数据区，机床完全可以依据这些参数完成零点设置 以下就是一个运 用子程序编程在卧式加工中心上完成 自动零点设置的实例 R 4 9 1 8 0。(-1 8 0。、-1 3 2 作台 R 2 3 R 2 3+0 工 革 f 霉 +_ R64 士R63 一 G54 G 53 t：丫 I R o J 丝 _ R2 2+R2 2 一 _ 一 R 4 9=0。(一 3 6 0 ,+3 6 0。)图 1 零 点位 置和 参数 设 定 一般箱体类零件一次装夹可完成四个面的 加工，由于每个 面上的加工要 求及基准位置各 不相同，就必须设定一些参数 以适应 不同的情 况，如 图 1 所 示 。(-1 2 7 0 参照西门子高级编程手册，首先确定参数 变量，参数定义如下：G5 3 机 床零 点；G5 4 某 一 面 上 已测 出 的 零 点 偏 量；R 4 9 零 件 位 置 角 度；R2 O 零件长度；R 2 1 零件宽度；R2 2 G5 4零点至工件两边 的距离(左侧为+，右侧为 一)；R2 3 待设定的某 面零点 至零件边的距 离(距离左侧为+，右侧为 一，R2 3 一1 时此零点在工件角上)；R 2 4 待设定的某 面零点与 G 5 4零点 在 轴 方 向 的差 值 由于 G 5 4零点为第一设定零点，其值的测定根据各种加工情 况有许多测定方式 实际上用西 门子测 量循环中的 L 9 5 1 一 L 9 7 5和 C L 8 0 0子程序编程语言中的数据分配命令4 3 0就能按各种情况方便 的测出，所以在此就不再累述了 现在设 G5 4零点的、Y、值为已知，其角度为 0度，为更直观地表述该程序编制 的原理及结构，这里以程序设计逻辑框图的形式予以表示，如图 2所示 根据 以上的逻辑图和参数设置，确定程序结构框架 参照西 门子编程手册 中各项指令语 言的功能定 义，就可选取相应指令符进行参数赋值、数据计算、条件判断、程序跳转等功能和过程 的程序设计 程序编 制完成后可定 义一个子程序 名称(如 S P F 2 1 2)并将其 编入 西 门子用户循 环，在加工程序 中 以子 程序(L 2 1 2)方式重复调用，通过参数的设定完成零件任一面加工坐标系的建立 2 2 刀具磨 损 的 自动 补偿 在加工中会经常遇到刀具磨损引起铣削后孔径变小或深度不够而达不到公差要求 的问题，这在大批 量加工某个零件时尤为突出，其实解决刀具磨损问题一直是影响加工的一个重要方面 如单纯通过设定刀 维普资讯 http:/ 第 2 期 杨军：西 门子 S I NUME R I K数控 系统编程 的二次 开发及应用 1 0 7 图 2 零点 的 自动 测量 及计 算逻 辑框 图 具寿命来间接控制加工质量，就会由于零件材质、切削用量等实际加工因素的多样性和其无法精确定量统 计 的特点而不能准确设定。这会造成两种情况：第一种，刀具寿命设定短，将本 可利用 的刀具换 下，造成浪 费；第二种，刀具寿命设定长，这样就会造成切削效果达不到精度要求，影响加工质量甚至损坏工件 所 以 一般在加工中，操作者为保证质量，常在切削后人工测量，以确保达到精度要求，这样既增加了操作者 的劳 动强度，又增加了人为因素对精度误差的影响，达不到满意的效果 对这样 的问题，可利用西门子 s I NUME R I K8 4 0 C系统中原有的测量循环和 R参数计算及再分 配功 能，配合子程序编程来解决，实例如下：如 图 3所示，现有一零件。要求用铣刀加工 出 2 0 0 0 2一档尺寸，而铣刀长 度 因磨损变短，磨损量未知，要用 此铣 刀来准确加 工 出这一精度要 求较高 的平 面。主要测量及加工程序如下：N75 T1 21 6 N8O LO6 N85 GO O G55 XYFST9 99 9 M O3 N9O D R1 01 Z5 N95 G8 2 R2 5 R3：一 1 9 R1 0 5 R4 3 N1 O O G80 N 1 0 5 I 07 N1 1 O GO O G5 5 X1 Y1 T1 21 6 Nn 5 D：R1 01 Z5 N1 2 O L95 5 Rl 1 3 R3一一 5 G 图 3 测 量 位 置 及 R 参数设 置 维普资讯 http:/ 1 O 8 陕西科 技大学学 报 第 2 5卷 N1 25 R4O R4 9 N1 3 O X2 Y2 N 1 3 5 Z一 15 N 1 40 L95 5 Rl 1 3 R3一一 5 N 1 45 R41 一 R4 0一 R49 1 9 N 1 5 O I O8 N1 5 54 2 3 K1 Rl O 1 K2 R4 1 N1 6 O GO O G5 5 X Y N1 6 5 D Rl O1 Z 5 N 1 7 O G82 R2 5 R3=一 2O R1 0 5 R4=3 程序注解：N9 5为第一次铣削，深度为 1 9；N1 2 0，N1 2 5调用测量循环，将测出值赋予参数 R 4 O；N1 4 0，N1 4 5调用测量循环，测出 R 4 9 值，并计算 出 R 4 1 值；N1 5 5将 R4 1 数值调用作刀具补偿 此程序的原理是：先将 2 O 0 0 2一档尺寸加 工到 1 9，再 用 R ENI S HAM 探头分别测出 R 4 O，R 4 9两 值，经计算得 出 R 4 1即为刀具磨损量值，将其作为补偿因子对原刀补进行加工并调整存入刀具参数存储 器，再利用新刀补进行加工，这样就能达到加工要求 理论上，以上程序及系统 自身x i l-算得出的 R4 1数值未加限定，但在实际应用时可根据加工精度、零 件材质情况进行极限值设定，在程序 中加入条件判断功能，对刀具超过磨损极限 的情况进行提示报警，要 求操作者及时更换 3 结 束 语(1)以上编程二次开发实例，已在德国沙曼公司 E C OC UT I Z大型卧式加工 中心上进行 了加工应用，实际运行达到了程序设计要求，并在提高零件加工精度和加工效率方面效果理想(2)利用 S i n u me r i k 8 4 0 C系统 C L 8 0 0子程序语 言编写参数化的加工程序和功能循环，可以避免重复 编程，而且程序逻辑性强，便于阅读和调试，为编写复杂 的加工程序带来方便(3)本文 以 S i n u me r i k 8 4 0 C系统为例，是 因为该系统在 G指令 与参数化功能循环结合运用方面具有 代表性，而其后的 S i n u me r i k 8 4 0 D系统在参数化编程方面结构基本相同，但 功能有所扩展，指令语言形式 也有所变化，可在实际工作中进一步体会和运用 参 考 文 献 1 西 门子 S I NUME R I K8 4 O C高级编程手册 S ，1 9 9 7：3 2 西门子 S I NUME RI K8 4 O C用户手册(测量循环)C S；，1 9 9 7：3 C 3)张超英，谢富春实用数控技术丛 书数控 编程技术 M 北京：化工 工业 出版社，2 0 0 4 1 (4 张一新利用数控 机床工 作台的回转 中心设置工件零点 的技 巧 J 制造技术与机床，2 0 0 6，(1 2)：8 O 8 1 S ECoND DEVELoPM ENT AND APPLI CATI oN oF PRoGRAM FoR S I EM ENS S I NUM ERI K NC S YS TEM YANG J u n (S h a n g h a i To b a c c o M a c h i n e r y Co Lt d，S h a n g h a i 2 0 1 2 0 6，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th i s p a p e r s u mma r i z e s t h e f u n c t i o n f o r t h e a d v a n c e d p r o g r a m o f S i e me n s S i n u me r i k NC s y s t e m wi t h a n a l ys i s t o t he s y s t e m pr o g r a m I n t he c o m b i n at i o n o f s u c h c o m mo n p r ob l e ros a s c o o r d i n a t e s e t u p f O r p a r t a n d a u t o ma t i c c o mp e n s a t i o n f o r t O O l，p a r a me t e r i z e d pr o c e s s pr o g r a m a nd f u nc t i on c y c l e a r e c om p i l e d wi t h CI 8 00 s u bp r og r a m l a n gu a ge o f Si nu me r i k 8 4 0 CI t i n t r o d u c e s t h e p r o g r a m p r i n c i p l e a n d p r a c t i c a l i t y i n t h e r e s p e c t o f t h e i mp r o v e m e nt f or pa r t wor ki ng a c c u r a c y a n d wo r k i n g e f f i c i e nc y a s we l l a s e x pl a i ns t e c hn ol og i c al c ha r a c t e r i s t i c s a nd a p pl i e d v a l u e f o r t he 2 nd de v e l o pme nt o f N C pr ogr a m Ke y wo r d s：Si nume r i k NC s ys t e m；CL8 0 0 s ub pr o gr a m l a ngu a g e；z e r o p oi n t s e t t i n g；a ut oma t i c c o m p e ns a t i on f or t O Ol 维普资讯 http:/