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        FANUC數(shù)控系統(tǒng)在C389數(shù)控車床改造中的應(yīng)用

        2014-03-06 07:11:34夏超國
        機(jī)電信息 2014年6期
        關(guān)鍵詞:功能系統(tǒng)

        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

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