范芳洪

（湖南鐵道職業(yè)技術學院 機電系，湖南 株洲 412001）

0 引言

光柵尺常用于數控機床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)［1］中，用于直線位移或角位移的檢測，以提高機床的定位和重復定位精度，其檢測精度高。如果數控機床的使用環(huán)境不好或光柵尺使用不當，光柵尺的故障率會比較高，一旦光柵尺出了故障，數控機床就會癱瘓。更換光柵尺，特別是大型數控機床配的進口光柵尺，其價格昂貴，維修成本高，而且需要訂貨，維修周期長，嚴重影響生產。在不影響機床功能而精度達到要求的情況下，通過屏蔽光柵尺，將全閉環(huán)系統(tǒng)改成半閉環(huán)系統(tǒng)的改造維修方法，能縮短維修周期和節(jié)約維修成本，保證生產進度。

1 維修改造方案的提出

筆者單位的校辦企業(yè)一臺840D數控系統(tǒng)［2］TK42200立式龍門鏜銑床，全閉環(huán)控制，X軸一運行就報警，經診斷是由于冷卻液和鐵屑進入光柵頭導致光柵尺損壞。該機床使用海德漢光柵尺，X軸的光柵尺長4m，平行X軸導軌安裝。更換光柵尺，訂貨周期長，價格昂貴，該機床負責某產品的關鍵工序加工，如果停產將導致整個生產線癱瘓。更換光柵尺生產上不允許，只能另辟蹊徑，屏蔽光柵尺把X軸改成半閉環(huán)控制，使機床恢復正常。

2 維修改造方案的論證

屏蔽X軸的光柵尺，將機床改成半閉環(huán)控制，在電氣上只需修改相應的參數和編制PLC邏輯控制程序［3］即可，因此是可行的。光柵尺主要用來補償半閉環(huán)控制系統(tǒng)進給傳動機構所產生的傳動誤差以及加工過程中進給傳動系統(tǒng)磨損而產生的誤差。要保證改造后的機床精度接近或達到改造前精度（行業(yè)標準），X軸的進給機械傳動鏈的傳動精度［4］要高，并且要保證導軌、絲桿螺母潤滑良好，減少磨損。X軸的機械傳動鏈是伺服電機通過齒輪減速傳動到滾珠絲桿螺母，由螺母帶動工作臺運行，對傳動鏈中的齒輪、滾珠絲桿螺母、支撐軸承等部件重新消除間隙和預緊后再檢查其傳動精度，X軸絲桿的軸向竄動為0.005mm，全行程內反向間隙均勻，其值為0.02mm。只要反向間隙均勻且在0.04mm內，系統(tǒng)的反向間隙補償功能［5］將實現間隙補償，因此，X軸的進給傳動鏈傳動精度能夠保證改造后的精度達到要求。對機床的潤滑油管、油路進行清理、疏通，確保了機床潤滑良好可靠。改造方案在機械上也是可行的，所以X軸維修改造方案是可行的。

3 改造方案的實施

3.1 屏蔽光柵尺

屏蔽光柵尺就是把全閉環(huán)系統(tǒng)改成半閉環(huán)系統(tǒng)，如果是半閉環(huán)系統(tǒng)，840D激活第一測量系統(tǒng)，全閉環(huán)激活第二測量系統(tǒng)。激活哪個測量系統(tǒng)由PLC控制程序來實現的。屏蔽X軸的光柵尺是關閉X軸第二測量系統(tǒng)，激活第一測量系統(tǒng)，即進給軸／主軸驅動內部數據接口信號［6］DB31.DBX 1.5置位和 DB31.DBX1.6復位。X軸的MD30200由2改為1，測量元件由2個變成1個。

3.2 X軸回參考點的設計

屏蔽光柵尺之前，840D系統(tǒng)是采用海德漢光柵尺帶位移標記［7］來回參考點，不需要參考點減速擋塊，利用光柵尺上相鄰的參考標記來確定參考點的位置。屏蔽后，需要安裝回零減速擋塊和回零減速開關才能回參考點，并要設置X軸回參考點的相關參數。

3.2.1 回零擋塊和回零開關的安裝

X軸的正負硬限位由一個三觸頭行程開關的其中兩個觸頭的常閉觸點來檢測，不需要另外安裝行程開關，將另外一觸頭的常開觸點用作回零減速檢測。在擋塊槽中安裝一個回零減速擋塊，回零擋塊的長度應根據X軸MD34020定義的速度確定，即要求在該速度下碰到擋塊后減速到“0”速時，坐標軸能停在擋塊上（不能沖過擋塊），否則回零不會成功。查看機床電氣原理圖，選擇I38.1為X軸回零減速信號的輸入地址。

3.2.2 設置X軸回參考點參數

X軸回參考點需要設置以下參數：

（1）MD34000：設置回零是否使用減速擋塊，“0”回零不使用減速擋塊 ，“1”回零使用回零減速擋塊，設定值為1。

（2）MD34200：設置回零使用的信號 ，“1”使用編碼器零脈沖 ，“3”使用光柵尺位移編碼參考標記，設定值為1。

（3）MD34010：設置回參考點的方向，“0”正方向，“1”負方向，設定值為0。

（4）MD34050：設置尋找零脈沖的方向，如果是“1”，則減速到零后繼續(xù)沿回參考點的方向找零脈沖，即零脈沖信號在減速開關之后（如圖1所示，其中，Vc為尋找減速開關速度，Vm為尋找零脈沖速度，Vp為參考點定位速度，Rv為參考點移動距離）；如果是“0”，則減速到零后沿回參考點的相反方向找零脈沖，即零脈沖在減速開關之前（如圖2所示），設定值為0。

（5）MD34040：設置尋找零脈沖的速度，設定值為500mm／min。

（6）MD34070：設置返回參考點的定位速度，設定值為300mm／min。

（7）MD34020：設置檢測參考點開關的速度，設置值為1 000mm／min。

圖1 零脈沖信號在減速開關之后（MD34050＝1）

圖2 零脈沖信號在減速開關之前（MD34050＝0）

3.3 設計PLC控制程序

PLC控制程序設計步驟如下：

（1）在電腦上運行 S7軟件［7］，通過適配器（PC Adapter）和NCU單元的X122接口相連，上載機床的PLC程序到電腦上。

（2）修改激活測量系統(tǒng)的PLC程序，如圖3所示?？梢酝ㄟ^設置DB10.DBX1.0的值來切換測量系統(tǒng)，DB10.DBX 1.0＝0，激活第一測量系統(tǒng)；DB10.DBX1.0＝1，激活第二測量系統(tǒng)。

（3）編制返回參考點的PLC控制程序，如圖4所示。DB31.DBX12.7X軸擋塊回零內部接口信號，在軸手動回零的工作方式下，坐標軸自動地向參考點方向移動，尋找參考點減速擋塊，壓下參考點擋塊后，回零減速檢測開關閉合（I38.1＝1），接口信號DB31.DBX12.7置位，向系統(tǒng)發(fā)出指令，自動完成返回參考點過程。

（4）經編譯無誤后，把程序下載到數控系統(tǒng)中，重新開機。

圖3 激活X軸測量系統(tǒng)PLC程序

圖4 X軸回零控制PLC程序

3.4 調試

調試的步驟如下：

（1）在系統(tǒng)診斷功能畫面 確認X軸的第一測量系統(tǒng)生效，如果沒有，修改測量系統(tǒng)激活的PLC程序。

（2）手動方式下，全行程內由慢到快移動X軸運動應平穩(wěn)。如果有爬行和振動現象，修改速度控制環(huán)的比例增益和積分時間［8］，有爬行現象時應增大比例增益，減少積分時間；有振動現象時，應減少比例增益，增大積分時間，直到運行平穩(wěn)。

（3）X軸反向間隙的補償，測量X軸反向間隙軸補償到MD32450中。

（4）壓下X軸的回零減速檢測開關，在系統(tǒng)PLC接口狀態(tài)畫面檢查I38.1的狀態(tài)是否發(fā)生變化，（壓下由0變成1，松開由1變成0），若沒有，檢查X軸的回零減速檢測信號是否輸到I38.1地址。

（5）移動機床使回零擋塊壓下回零減速檢測開關，檢查I38.1信號是否發(fā)生變化。如果沒有，調整回零擋塊和回零減速檢測開關的相對位置，直到信號正常。

（6）在手動回零方式下，調整回參考點相關參數直到X軸回參考點正常。

零點是機床的基準點，零點的漂移會引起工作坐標系原點的漂移，導致加工產品的尺寸不準。回零正常后，用千分表檢查回零的一致性，每次零點位置漂移量要小于0.005mm。

4 結論

調試后，機床運行正常，檢測X軸的定位精度和重復定位精度分別是0.02mm／2 000mm 和0.01 mm／2 000mm，達到了GB／T 19362 1－2003標準。機床每天幾乎滿負荷工作，未出現任何故障，運行穩(wěn)定，加工產品精度達到了要求，質量穩(wěn)定。改造只用2天，大大縮短了維修周期，保證了生產進度，完成了生產任務，改造的成本不到更換光柵尺的1／20，大大節(jié)約了維修成本。在數控機床維修中，利用改造維修方法，往往可以達到事半功倍的效果。

［1］ 王愛玲.現代數控機床伺服及檢測技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張德江，門延會，毛羽.SIEMENS 840D系統(tǒng)在GS30型數控機床改造中應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（2）：56－59.

［3］ 衛(wèi)道柱，楊沁，桂貴生，等.雙面二工位銑鉆組合機床控制系統(tǒng)設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（11）：57－60.

［4］ 周炳文.實用數控機床故障診斷及維修技術500例［M］.北京：中國知識出版社，2006.

［5］ 王建平.數控機床定位精度與補償［J］.機床與液壓，2011（4）：143－145.

［6］ 朱自勤.數控機床電氣控制技術［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2006.

［7］ 廖常初.S7－300／400PLC應用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［8］ 王志明，龔振邦，袁晶，等.基于模糊PID位置控制的氣伺服系統(tǒng)［J］.機電工程，2009（10）：93－95.