夏超國

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖北 十堰442000）

0 引言

C389是20世紀(jì)90年代的數(shù)控車床，用來車削康明斯6B曲軸主軸頸，原使用FANUC公司早期的10TE系統(tǒng)，整套系統(tǒng)采用分離型及插接式結(jié)構(gòu)，控制復(fù)雜，體積龐大，維修不便，元器件繁多且老化嚴(yán)重，各種插接件經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良故障，且外圍連接破損不堪，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性下降，故障頻發(fā)。同時由于原系統(tǒng)生產(chǎn)年代久遠(yuǎn)，F(xiàn)ANUC公司已經(jīng)停產(chǎn)，導(dǎo)致備件奇缺，嚴(yán)重影響了曲軸的生產(chǎn)。因此，決定對曲軸C389數(shù)控車床進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)電氣大修改造。

1 改造方案的確定和實施

經(jīng)分析研究，決定采用FANUC oi－C數(shù)控技術(shù)對原系統(tǒng)進(jìn)行改造。為了滿足工藝要求和車間柔性化生產(chǎn)的需要，同時保證加工精度，消除原系統(tǒng)存在的缺陷，改造后電氣系統(tǒng)采用位置反饋全閉環(huán)系統(tǒng)，數(shù)字式交流主軸，PMC軸控實現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)，同時完善系統(tǒng)故障報警功能，方便機(jī)床的操作及維修。

FANUC oi－C數(shù)控系統(tǒng)是FANUC公司新推出的一款具有很高性價比的CNC數(shù)控系統(tǒng)，它有以下特點：（1）數(shù)控軸數(shù)多，進(jìn)給軸最多可達(dá)3軸，可同時控制2個伺服主軸或1個模擬主軸；（2）顯示功能齊全，它采用7.2′～10.4′單色或液晶顯示器，不僅能顯示位置、程序參數(shù)等，還可顯示PMC梯形圖、伺服診斷、刀具補償?shù)葍?nèi)容；（3）驅(qū)動功能強(qiáng)，它可采用數(shù)字交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，反饋可采用內(nèi)置式與外置式編碼器相結(jié)合的全閉環(huán)控制；（4）具有PMC軸控功能：PMC可以獨立于CNC而直接控制坐標(biāo)軸；（5）采用整體式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)。

結(jié)合FANUC oi－C數(shù)控系統(tǒng)所具有的各種功能及C389車床的實際情況，決定采用FANUC oi－C系統(tǒng)對該機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，并完善機(jī)床的各項功能，改造方案如下：（1）數(shù)控系統(tǒng)組成：伺服控制軸采用3軸控制，即X、Z、T軸，X軸為數(shù)控車床刀盤進(jìn)給伺服軸，Z軸為工作臺左右移動控制伺服軸，T軸為刀盤旋轉(zhuǎn)用于刀具定位的伺服軸。根據(jù)加工精度的要求，X、Z軸采用分離式編碼器以消除齒輪傳動及滾珠絲桿的誤差間隙，保證車床的加工精度，T軸根據(jù)刀盤旋轉(zhuǎn)的工作方式，采用PMC軸控方式進(jìn)行控制。（2）為了改善曲軸的加工質(zhì)量及滿足產(chǎn)品的柔性化生產(chǎn)需要，采用全數(shù)字主軸實現(xiàn)對工件的轉(zhuǎn)速控制。（3）刀盤旋轉(zhuǎn)采用PMC軸控，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)刀盤的T軸功能，包括軸的進(jìn)給、回零、輔助功能等操作。（4）外圍機(jī)床動作由FANUC系統(tǒng)自帶的PMC－SB7版本的順序程序控制，由于機(jī)床自帶的I／O接口完全能夠滿足改造的需要，因此無需升級I／O單元。

改造后的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 改造后的系統(tǒng)

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)原數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)功率及機(jī)械連接的選擇，采用FANUCαiF系列伺服電機(jī)及αi系列交流主軸電機(jī)實現(xiàn)對X、Z、T軸及主軸的控制，αi系列電機(jī)體積小、重量輕、安裝方便，適用于要求精度高、負(fù)載慣量小的場合，抗干擾性強(qiáng)。

由于車床系統(tǒng)同磨床系統(tǒng)不一樣，不具備主動測量功能，對車床系統(tǒng)來說，其控制精度要求更高，因此，對于X、Z軸進(jìn)給伺服電機(jī)我們采用增量式編碼器實現(xiàn)全閉環(huán)控制，該分離式編碼器能將位置的檢測信號精確反饋到伺服驅(qū)動器中，以消除機(jī)械連接及滾珠絲桿的間隙。同時，由于原刀盤采用伺服控制，而非采用錐形電機(jī)加編碼器的控制方式實現(xiàn)刀具功能，根據(jù)刀盤運動的控制特點，我們采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，但控制方式中采用PMC軸控技術(shù)，從而更加方便地實現(xiàn)刀具的選擇功能。

2.2 參數(shù)設(shè)置

數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置是一個復(fù)雜而艱巨的過程。該系統(tǒng)參數(shù)共有上千個之多，主要包括控制設(shè)定參數(shù)、控制軸設(shè)定參數(shù)、坐標(biāo)系參數(shù)、數(shù)字伺服參數(shù)、DI／DO參數(shù)、編程參數(shù)、主軸參數(shù)、PMC軸控參數(shù)等。

參數(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的一個重要組成部分，其設(shè)置得合理與否直接關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正確穩(wěn)定運行，而相當(dāng)一部分參數(shù)需要根據(jù)機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)、電氣配置等通過計算得到，而另一部分參數(shù)則需要通過實際運行調(diào)試才能獲得。在改造過程中，我們對機(jī)床參數(shù)的設(shè)置及調(diào)試做了大量細(xì)致的工作，確保了整個機(jī)床的穩(wěn)定運行。這些參數(shù)中，涉及數(shù)字伺服的參數(shù)顯得尤其重要，如果不能正確設(shè)置，整個數(shù)控系統(tǒng)將不能穩(wěn)定運行。

下面以X軸全閉環(huán)系統(tǒng)伺服參數(shù)的設(shè)定為例介紹參數(shù)設(shè)置。在X軸的全閉環(huán)控制中涉及以下幾個重要參數(shù)：（1）NO.2020：電 機(jī) ID 號。（2）NO.1820：CMR。（3）NO.2084：Feodgear N；NO.2085：Feodgear M。（4）NO.2023：速度脈沖指令。（5）NO.2024：位置脈沖指令。（6）NO.1821：參數(shù)計數(shù)器容量。（7）NO.1815：外置位置編碼器。

電機(jī)ID號的設(shè)定：根據(jù)采購電機(jī)型號，我們設(shè)定NO.2020＝197（αiF12／3000）。

CMR的設(shè)定：CMR＝指令單位／檢測單位，其設(shè)定值為CMR×2，而通常指令單位＝檢測單位（CMR＝1）。因此，我們將該值設(shè)定為2。

柔性進(jìn)給齒輪比的設(shè)定：通過使來自脈沖編碼器、分離式檢測器的位置反饋脈沖可變，即可根據(jù)各類滾珠絲桿的螺距、減速比而輕而易舉地設(shè)定檢測單位。

在該機(jī)床中，設(shè)定X軸的檢測單位為1μm（0.001mm），根據(jù)測量X軸的滾珠絲桿螺距為10mm，因此：

設(shè)定 NO.2084＝1（N）；NO.2085＝100（M）。

速度脈沖數(shù)：對應(yīng)于αiF電機(jī)，速度脈沖數(shù)均為8192。

位置脈沖數(shù)：對應(yīng)于αiF電機(jī)，位置脈沖數(shù)均為：12500×減速比＝12500×2／3＝8333。

參數(shù)計數(shù)器：參數(shù)計數(shù)器＝電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈所需的位置脈沖數(shù)／M，即滾珠絲桿的螺距，因此設(shè)定為10000。

根據(jù)前面的計算，我們設(shè)定NO.1815＝00000010，以上設(shè)置完成后，對于X軸的基本伺服參數(shù)就已設(shè)定完畢，通過手動或自動方式我們就能發(fā)現(xiàn)機(jī)床每移動一次的最小距離為1μm，且與實際檢測得到的數(shù)據(jù)相一致。

3 PMC軸控功能

（1）PMC可以獨立于CNC而直接參與控制坐標(biāo)軸，該功能稱為PMC軸控，它可以實現(xiàn)多種操作，如軸快進(jìn)、工進(jìn)、JOG進(jìn)給、回參考點、輔助功能等。其基本步驟如下：1）設(shè)定軸控程序段數(shù)據(jù)號：包括程序段停止禁止信號EMSBK（位）、軸控命令信號EC0－EC6（字節(jié)）、軸控速率信號EIF0－EIF15（字）和軸控數(shù)據(jù)信號EID0－EID31（雙字）等。2）軸控數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)信號壓入CNC緩沖區(qū)，CNC緩沖區(qū)分為輸入緩沖區(qū)、等待緩沖區(qū)、執(zhí)行緩沖區(qū)。在程序段執(zhí)行期間，如果緩沖區(qū)有空，CNC可以接收來自PMC的新程序段，這樣就能實現(xiàn)多步操作連續(xù)運行。CNC緩沖區(qū)的狀態(tài)由軸控命令讀信號EBUF與軸控命令讀完信號EBSY“異或”確定，“異或”結(jié)果為“0”表示PMC可以發(fā)布新程序段，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送如圖2所示，命令程序段壓入如圖3所示。3）翻轉(zhuǎn)軸控命令讀信號EBUF，啟動執(zhí)行緩沖區(qū)命令程序段，翻轉(zhuǎn)時EBUFg與EBSYg應(yīng)保持一致。4）重復(fù)上述步驟直至所有的程序段發(fā)布并運行完畢。

圖2 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送圖

圖3 命令程序段壓入時序圖

（2）基于PMC軸控的刀盤控制程序。由于在數(shù)控車的改造中，采用伺服電機(jī)驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，整個刀盤由12把刀組成，采用360°旋轉(zhuǎn)，故每把刀相差角度為30°，特別適合采用PMC軸控實現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)的控制。下面就對刀盤PMC軸控程序進(jìn)行分析：1）EAX控制軸選擇信號G0136.2：當(dāng)該信號置“1”表示相應(yīng)的軸變成PMC控制軸（圖4）。2）刀號的選擇：刀盤回零后將當(dāng)前刀號設(shè)定為“1”，每旋轉(zhuǎn)30°刀號加“1”或減“1”。3）命令程序段控制：整個PMC控制程序分為2個程序段，分別對應(yīng)于刀盤回零及刀盤刀號選擇循環(huán)程序，同時通過程序設(shè)計采用不同條件對同一指令進(jìn)行控制，確保程序運行時只有一個程序段工作有效。刀盤循環(huán)控制數(shù)據(jù)如下：自動換刀時，控制程序由AXCTL指令控制，軸控數(shù)據(jù)地址存放于D100開始的8個字節(jié)中，其中，D101存放EC0～EC6控制指令，D102～D103存放EIF0～EIF15指定速度數(shù)據(jù)，D104～D107存放EID0～EID31指定位置數(shù)據(jù)。根據(jù)以上程序，設(shè)計刀盤能正確完成刀具功能。

圖4 控制軸選擇信號

4 結(jié)語

設(shè)備改造完成后近一年的運行表明，生產(chǎn)效率得到了提高，故障率得到了降低，穩(wěn)定性、可靠性高，功能強(qiáng)，性能好，減少了刀具損耗，降低了加工成本，便于操作與維修。

［1］日本數(shù)控車C389全套技術(shù)資料