西门子802S数控系统在高压水射流切割机中的应用

一． 前言：
高压水射流切割机是应用参合了专用磨料的高压水，通过喷嘴喷射出高压水流对工件进行切割，其切割效率高，切边整齐，广泛应用于轻工等行业。高压水射流切割机的控制系统一般采用经济型数控系统，以保证工作可靠稳定。西门子SINUMERIK 802S数控系统采用32位微处理器，集成式PLC，分离式小尺寸操作面板和机床控制面板，是一种先进的经济型CNC系统，其专门为中国市场开发，启动数据少，安装调试方便，快捷；具有中英文菜单显示，操作编程简单方便；具有可靠性高，稳定性强的特点。高压水射流机采用西门子SINUMERIK 802S数控系统，充分利用该系统具有的丰富误差补偿功能，如丝杆反向间隙补偿，丝杆螺距误差补偿，进给轴脉冲监控等，大大地提高了高压水射流机的生产效率。

二． 数控系统的硬件构成
      高压水射流切割机的数控系统主要包括操作面板（OP020），机床面板（MCP），数控部分（ECU），步进驱动器（STEPDRIVE C）及步进电机，PLC模块（DI/O），通讯口。
1． 操作面板（OP020）
    操作面板按键布局采用人机工程设计，操作方便灵活。按键主要包括菜单功能键，字母键，数字键等。
2． 机床面板（MCP）
    机床面板包括通用控制键及高压水射流切割机专用控制键。通用控制键主要有进给轴移动按钮，数控启动停止按钮，工作方式选折功能按钮，进给倍率选折波段开关等。专用控制按钮包括高压电机启动停止，换刀启动停止，冷却，润滑等。
3． 数控部分（ECU）
    数控部分主要包括CPU，ROM，RAM，位置控制电路及接口板。ROM用于固化数控系统软件，RAM用于存放可变数据，如堆栈数据和控制软件暂存数据。对于数控加工程序和系统参数等可变数据存储区具有掉电保护功能，当主电源不供电时，使数据不丢失。
4． 步进驱动器（STEPDRIVE C）及步进电机
         步进驱动器（STEPDRIVE C）是单轴型控制器，控制五相步进电机。步进电机的步距角为0.36度。驱动接口采用25芯D型插座。每个驱动器接受三个信号，一个为脉冲信号，一个为方向信号，一个为使能信号。发出的脉冲控制电机运行，每个上升沿使电机向前走一步，脉冲数决定电机转角，脉冲频率决定电机的转速。
5． 输入输出部分（I/O）
    输入输出部分主要包括快速输入接口以及数控系统的PLC模块。快速输入包括限位接近开关以及NCRDY信号。NCRDY信号是用作NC使能的接触器急停信号。PLC模块I/O包括高压启动停止，换刀启动停止，冷却开关，润滑开关等。
6． 通讯口
      数据通讯采用标准的RS-232C，用于接收用户程序或与计算机通讯。其采用9芯D型插座，信号名称包括：RXD-数据接收，TXD-数据发送，RTS-发送请求，CTS-发送使能，DTR-数据传输设备就绪，DSR-数据终端就绪，M-信号地。
   
三． 控制系统的软件
     西门子802S数控系统是一个复杂的多任务实时软件，其采用模块化结构，每个模块分管各自的任务，形成特定的功能模块，相应的软件也模块化，形成功能模块软件结构固化在CPU中。
     西门子802S数控系统的CNC单元主要由三大模块组成，即人机通信（MMC）模块，数控模块（NCK），可编程控制器（PLC）模块。
1． 人机通信（MMC）模块
西门子802S数控系统采用人机交互处理技术进行用户界面的交互处理。用户选折CNC系统的工作模式，进行相应数据和命令的输入，CNC系统实时针对用户的操作进行信息的反馈，向用户提供系统运行状态，提供相应的操作和学习帮助，当出现操作错误和系统故障时，产生错误和警告的信息。
西门子802S数控系统的主菜单包括：1）加工 ，2）参数，3）程序，4）通讯，5）诊断。
2． 数控模块（NCK）
    数控模块包括数控的核心功能程序，如数控加工程序的译码，预处理和插补处理，也包括数控加工程序编辑器，加工模拟，刀具管理，以及故障监测和诊断功能。
3． 可编程控制器（PLC）模块
可编程控制器模块处理数控加工程序中有关机床电器的逻辑控制以及其他一些开关信号的控制。
 西门子802S数控系统的PLC编程软件采用S7-200。

四． 系统的调试及应注意问题：
       西门子802S数控系统在高压水射流切割机的应用基于标准的车床系统。根据硬件的配置，对显示机床数据，通用机床数据，轴相关的机床数据，通道相关的机床数据进行相应的设置。
       修改机床数据对机床关系很大，参数的设定错误会导致机床动作混乱。机床修改有效包括以下四种情况：1）so-立即有效 2）cf-确认后有效 3）re-复位有效4）po-上电有效。不同级别的机床数据对应不同的有效修改设定。
PLC参数根据程序的配置由操作面板的“诊断/机床数据/通用机床数据”参数屏输入。PLC机床硬件的配置对应相应的机床数据的设定。部分I/O配置如下图：

西门子802S数控系统应用调试中应注意以下几个问题：
1． 系统要求每个轴的两个方向（+/-）都设有限位开关以便NCK在所有的工作方式对限位进行监控，在行程开关被撞到后，所有坐标轴须立即停止,系统只允许超程轴在JOG方式下向相反方向运动。限位开关包括硬件限位开关和软件限位开关。如果硬件限位开关被逾越，PLC将通过IS的 V380X1000.1/.0通知NC,并中断所有轴的运动。每个轴都有两对软件限位开关,在机床进给轴系统中通过 MD：POS_LIMIT_PLUS,POS_LIMIT_MINUS,POS_LIMIT_PLUS2,POS_LIMIT_MINUS2设置。
2． 每个轴根据需要配置一个参考点减速控制开关。X轴开关接在I1.4，Z轴开关接在I1.5。NCK输入端（X20）接一个参考点接近开关（BERO），用于准确设定参考点。
3． 定位监控情况如下：为确保轴在预定的时间内到达指定点，在一个程序段运行结束后（位置量=0）启动MD：POSITIONING_TIME（精定位延迟）里设定的时间,并在这一时间运行结束后检查移动误差是否低于STOP_LIMIT_FINE（精定位精度）的极限值.如果位置控制增益系数太小,则改变位置控制增益调节机床数据MD：POSCTRL_GAIN（N）设置值;如果定位窗口（精确停）与位置监控时间和位置控制增益系数不相符合,则改变 MD:STOP_LIMIT_FINE（精确停）,MD：POSITIONING_TIME（精确停延迟时间）,MD：POSCTRL_GAIN（N）这几个参数的设置。
4． 在开关量输出电路中，通过中间继电器过渡控制强电路的功率接触器和电磁阀，同时加并联保护二极管，以便当线圈切断时，为电流提供释放回路，以保护数控驱动电路。
5． 为提高整个系统的抗干扰能力，弱电信号与强电驱动信号在走线槽内尽量分别走线，并且在交流接触器线圈两端就近并联RC灭弧器。以保证数控系统的可靠性。

五． 结束语
高压水射流机采用西门子SINUMERIK 802S数控系统，解决了原国产机床数控系统不稳定的缺陷，并且充分利用该系统具有的丰富误差补偿功能，大大地提高了整机可靠性以及机床的功能。

参考文献：
1．李诚人等编.机床计算机数控.西安:西北工业大学出版社,1988
2．毕毓杰等编著.机床数控技术.北京:机械工业出版社,1996
3．李宏胜等编著.数控原理与系统.北京: 机械工业出版社,1997