張國杰

(北京發(fā)那科數(shù)控工程有限公司，北京 100102)

深孔加工作為現(xiàn)代制造技術(shù)的一個重要分支，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在深孔鉆削過程中，刀具的切削狀態(tài)無法直接觀察，而且隨著孔深的增加排屑路徑逐漸加長，容易發(fā)生切屑堵塞、刀具破損等現(xiàn)象。因此，在深孔加工設(shè)備中充分利用多個特征參數(shù)綜合監(jiān)測鉆削過程，就顯得十分重要;主進給運動的切削力，是與刀具破損密切相關(guān)的物理量，對鉆削進給力矩的及時檢測，是目前深孔加工中重要的監(jiān)測手段之一。

本文引用的梯形圖實例就是在實際深孔鉆設(shè)備上，通過使用FANUC異常負載檢測功能中的“推算負載扭矩的輸出功能”，并結(jié)合發(fā)那科PMC窗口讀寫以及中斷型用戶宏程序功能，預(yù)"先在手動試切過程中讀取進給伺服軸的推算負載扭矩，并依據(jù)這個推算數(shù)據(jù)設(shè)定一個適當(dāng)?shù)南拗浦?。在隨后的自動加工過程中，如果出現(xiàn)相應(yīng)伺服軸的推算負載扭矩超過設(shè)定限制值的情況時(這兩個值都被存入用戶宏變量中)，即通過中斷型用戶宏程序功能控制該伺服軸快速回退到機械零點，同時進行停止主軸旋轉(zhuǎn)、關(guān)閉冷卻潤滑等處理，從而達到降低機械設(shè)備的損傷程度，保護加工工件、加工刀具等目的。本文中所有提及的思路及方法，均已經(jīng)在實際生產(chǎn)過程中得以驗證和應(yīng)用。

1 FANUC異常負載檢測功能

在加工過程中出現(xiàn)碰撞、刀具破損、排屑不暢及其他非正常因素的時候，可導(dǎo)致在伺服電動機或主軸伺服電動機上產(chǎn)生更大的負載力矩，故在使用新型的發(fā)那科伺服及伺服(主軸)電動機時，可應(yīng)用FANUC異常負載檢測功能來監(jiān)測加工過程中的負載狀態(tài)。

1.1 FANUC異常負載檢測功能的控制原理

通過伺服軟件來推算施加到電動機上的外力干擾負載，并對這個干擾負載進行1 ms周期的高速監(jiān)控，當(dāng)檢測到超過設(shè)定的異常負載檢測水平的限制值時，立即進行伺服電動機的停止或回退處理;同時，這個推算的干擾負載信息被輸送到CNC系統(tǒng)中，并可由發(fā)那科PMC窗口功能來讀取，在PMC應(yīng)用程序中加以利用。圖1的框圖概括了此功能的基本工作原理。

1.2 FANUC異常負載檢測功能的分類

(1)推算負載扭矩的輸出功能 CNC系統(tǒng)時刻推算著電動機的負載扭矩，此扭矩值排除了加減速所需的扭矩，并且允許PMC通過窗口功能讀取該數(shù)據(jù)。

(2)異常負載檢測報警功能 當(dāng)上述推算的負載扭矩超過參數(shù)中設(shè)定的限制值時，CNC系統(tǒng)發(fā)出報警信息，電動機立刻停止或沿反方向回退(回退僅對伺服電動機有效)，回退量的大小由參數(shù)來設(shè)定。

(3)異常負載檢測組功能 先將系統(tǒng)中的伺服軸分為任意的組，當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常負載時，執(zhí)行電動機的停止或回退處理。同時，由參數(shù)設(shè)定在相同組的所有軸立即停止后，被置于互鎖狀態(tài)，此過程中CNC系統(tǒng)不發(fā)出報警信息。

其中“異常負載檢測報警功能”和“異常負載檢測組功能”，這兩個功能不能同時使用，圖2的流程圖簡要概述了FANUC 0i－MODEL D系統(tǒng)的異常負載檢測功能的參數(shù)設(shè)定步驟。本文所要討論的重點是靈活使用“推算負載扭矩的輸出功能”，因而對此不再贅述。

2 利用發(fā)那科PMC窗口功能讀取異常負載數(shù)據(jù)并進行處理

所謂發(fā)那科PMC窗口功能，就是由發(fā)那科PMC控制軟件提供的一套功能指令，通過該功能指令PMC可以讀取或?qū)懭隒NC(數(shù)控系統(tǒng))的相關(guān)信息，其中‘WINDR’指令用于讀取CNC中的相關(guān)數(shù)據(jù)，‘WINDW’指令用于寫入CNC中的相關(guān)數(shù)據(jù)，它們的指令格式如圖3所示。圖3窗口功能指令格式中的“控制數(shù)據(jù)地址”是一個獨立數(shù)據(jù)段的首地址，這個獨立的數(shù)據(jù)段，可以使用易失性存儲區(qū)的R地址，也可以使用非易失性存貯區(qū)的D地址，這個數(shù)據(jù)段的長度取決于相應(yīng)的功能，其構(gòu)成格式如圖4所示。

圖4控制數(shù)據(jù)中的“功能代碼”項，表示不同的窗口操作功能，如需讀取推算負載數(shù)據(jù)，“功能代碼”項就要設(shè)為211;“數(shù)據(jù)屬性”項，一般表示需讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)的具體屬性值，比如刀具號、刀具偏置的類型、指定的參數(shù)號或軸號等;如需讀取第3軸的推算負載數(shù)據(jù)，“數(shù)據(jù)屬性”項要設(shè)定為3、如需讀取所有軸的推算負載數(shù)據(jù)，“數(shù)據(jù)屬性”項則要設(shè)為－1。

2.1 讀取推算負載扭矩

通過PMC窗口功能指令來讀取全部伺服軸的推算負載數(shù)據(jù)，設(shè)定控制數(shù)據(jù)段的首地址為R2300，當(dāng)讀取指令結(jié)束后，第一軸的推算負載數(shù)據(jù)存放在R2310～R2311存儲區(qū)內(nèi)，第二軸的負載數(shù)據(jù)則存放在R2312～R2313存儲區(qū)內(nèi)，依次類推，每個軸使用兩個字節(jié)的存儲區(qū);具體梯形圖詳見圖5。

2.2 通過宏變量顯示第三軸推算負載扭矩

應(yīng)用功能代碼為“22”的PMC窗口功能指令，設(shè)定控制數(shù)據(jù)段的首地址為R2340，將上述讀取的第三軸的推算負載扭矩數(shù)據(jù)(存放在R2314～R2315兩字節(jié)存儲區(qū))，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后，存放在以R2350為起始地址的四字節(jié)存儲區(qū)，當(dāng)寫入宏變量指令完成后，讀取的第三軸的推算負載扭矩數(shù)據(jù)就在#982宏變量上顯示出來。具體梯形圖詳見圖6。

2.3 讀取設(shè)定在宏變量中的限制值

通過功能代碼為“21”的PMC窗口功能指令，讀取系統(tǒng)宏變量數(shù)據(jù);設(shè)定控制數(shù)據(jù)段的首地址為R2400，當(dāng)讀取指令完成后，#994宏變量中設(shè)定的第三軸推算負扭矩的限制值讀取到PMC存儲區(qū)中，存放在以R2410為起始地址的四字節(jié)存儲區(qū)。具體梯形圖詳見圖7。

2.4 啟動宏中斷信號

將上述的讀取值和限制值在PMC中進行比較(絕對值比較)，如發(fā)生超過限制值的情況時，則啟動中斷型用戶宏程序的中斷信號UINT。具體梯形圖詳見圖8。

3 設(shè)定推算負載扭矩限制值

如圖9所示，首先在手動試切過程中注意觀測宏變量#982(第三軸)的推算負載扭矩的輸出數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實際加工的需要，在這個觀測值上加上適當(dāng)?shù)牧浚热缂由?00～1 000的余量，作為負載扭矩數(shù)據(jù)的限制值，設(shè)定在相應(yīng)的#994(第三軸)宏變量中。

限定的負載扭矩數(shù)據(jù)也可以依據(jù)下式來計算:

在實際的鉆削加工過程中，工件材質(zhì)、刀具、鉆削參數(shù)等往往要根據(jù)生產(chǎn)的需求進行調(diào)整，因而設(shè)定的扭矩限制值也要隨之改變。本文所使用的方法，可以很快地對進給軸的負載扭矩限制值進行調(diào)整，以適應(yīng)實際生產(chǎn)的要求。

4 中斷型用戶宏程序的使用

在自動深孔切削過程中，為了規(guī)避由刀具破損、切屑堵塞等原因引起的連鎖反應(yīng)，當(dāng)檢測到伺服異常負載時(推算負載扭矩的輸出絕對值大于設(shè)定的負載扭矩限制絕對值)，需將進給軸快速退回至安全的位置，并立即停止主軸旋轉(zhuǎn)、關(guān)閉冷卻，以減少潛在的設(shè)備損壞風(fēng)險。本文的梯形圖實例中，當(dāng)上述異常情況發(fā)生時，通過PMC處理將啟動‘UINT’用戶宏程序中斷信號，此時CNC系統(tǒng)中運行的程序?qū)⒅袛嗪罄m(xù)程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行由P＊＊＊＊指定的程序。

(1)使用中斷型用戶宏程序功能，需按照如下方式在程序中指定中斷指令:

(2)將進給軸回退到安全位置的宏程序O9000:

(3)在實際深孔加工設(shè)備上，工況狀態(tài)檢測和故障診斷系統(tǒng)往往由多種傳感器及智能儀表構(gòu)成。這些裝置分別通過不同途徑針對深孔加工狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)鉆削過程發(fā)生異常時，必將引起相關(guān)特征參數(shù)發(fā)生變化，比如引起表1所示的工況檢測異常警報信息等，有時對這些警報的后續(xù)處理，也需要用到中斷型用戶宏程序功能。

表1 工況檢測異常報警

5 結(jié)語

本文簡要敘述了FANUC異常負載檢測功能的基本原理、分類。在應(yīng)用實例中，通過內(nèi)裝PMC對推算負載扭矩輸出的靈活處理，最大程度保障深孔鉆削加工的安全。如欲追求更加完美的操作界面和效果，也可以把本文中引用的宏變量，結(jié)合FANUC模式(格式)數(shù)據(jù)輸入功能來編輯特定菜單畫面和用戶宏程序畫面，這樣會更方便操作者的觀測與調(diào)整。當(dāng)然，如果采用FANUC專用的人機界面開發(fā)軟件，比如應(yīng)用FANUC PICTURE工具來開發(fā)專用的操作界面，無疑將會達到更加完美的效果。實例中僅列舉了伺服軸推算負載扭矩的輸出功能的使用方法，在使用FANUC主軸伺服電動機的場合，如需對主軸的異常負載進行檢測和處理，也可以參考本文實例。

［1］FANUC AC SERVO MOTOR Alpha i/Beta i series參數(shù)說明書 B－65270CM［Z］.

［2］FANUC AC SPINDLE MOTOR Alpha i/Beta i series參數(shù)說明書 B－65280CM［Z］.

［3］FANUC Series 0i－MODEL D連接說明書(功能篇)B－64303CM［Z］.

［4］FANUC Series 0i－MODEL D PMC PROGRAMMING MANUAL B－64393EN［Z］.