鄒濤，周翔，羅俊波，王菁

(沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明 650203)

由于數(shù)控銑鏜床相比其他機(jī)床復(fù)雜，加工范圍廣，適應(yīng)能力強(qiáng)，精度要求高，在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)需要考慮成本，也要考慮加工性能，因此需要在機(jī)床配置上有所取舍。數(shù)控機(jī)床能配置全閉環(huán)的，盡量使用，因?yàn)槿]環(huán)可提高精度、減小誤差。但在實(shí)際運(yùn)用中，因機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝光柵尺位置受限，不能使用全閉環(huán)，只能采用半閉環(huán)控制，如電機(jī)內(nèi)置編碼器、或絕對(duì)電機(jī)編碼器、或外置旋轉(zhuǎn)編碼器作為反饋。

使用距離碼旋轉(zhuǎn)編碼器或直線光柵尺，不需要安裝回零碰塊，回零方式簡(jiǎn)單，并且機(jī)床參數(shù)設(shè)置較為簡(jiǎn)單，按照機(jī)械給出的數(shù)據(jù)及光柵尺數(shù)據(jù)就能設(shè)置好，但是其價(jià)格較昂貴，使得機(jī)床成本較高，性價(jià)比不好。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，性價(jià)比對(duì)市場(chǎng)獲得非常重要。對(duì)于加工要求不高的機(jī)床，直線坐標(biāo)軸可使用外置編碼器半閉環(huán)控制，這樣既能滿足機(jī)床使用要求，又能有效降低成本，提高機(jī)床的性價(jià)比。

1 外置編碼器的使用

根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)不同，采用的配置有一定差距。某型數(shù)控銑鏜床所使用的配置如表1所示。

表1 某型數(shù)控銑鏜床所使用的配置

對(duì)第1種及第2種不做論述，這里主要對(duì)第3種情況進(jìn)行分析。

例如:機(jī)床鏜軸，使用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器 (歐姆龍2000線TTL旋轉(zhuǎn)編碼器)，這種情況需配置回零碰塊。電機(jī)型號(hào)為aiF 12/4000，絲桿螺距16 mm，電機(jī)與鏜桿之間3∶40的減速比。

其機(jī)床NC參數(shù)設(shè)置如表2所示［1］。

表2 使用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)床NC參數(shù)設(shè)置

在這里需要注意，F(xiàn)ANUC中的N/M通常為不大于“0”的小數(shù)，但這里根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)公式計(jì)數(shù)得出N/M=2/1，這說(shuō)明選用的旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率低于數(shù)控系統(tǒng)的分辨率。如要得到大于“0”的小數(shù)，就必須提高編碼器的分辨率，即選用編碼器線數(shù)高的，如4 000脈沖數(shù)或者更高。但是對(duì)于該型機(jī)床，這種配置已經(jīng)滿足鏜軸精度設(shè)計(jì)要求，因此直接使用計(jì)數(shù)出的數(shù)值。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，其精度符合設(shè)計(jì)要求。為什么不取消外置編碼器直接使用電機(jī)內(nèi)置編碼作為位置檢測(cè)呢?使用電機(jī)內(nèi)置編碼器計(jì)算出的精度比使用第二編碼器計(jì)算出的精度還要高，如果使用半閉環(huán)控制，系統(tǒng)通過(guò)N/M得出的理論精度高，但是由于機(jī)械傳動(dòng)比較大，長(zhǎng)時(shí)間使用以后，傳動(dòng)零件一旦磨損，就無(wú)法實(shí)際檢測(cè)機(jī)械位置，反而造成誤差增加，甚至無(wú)法檢測(cè)傳動(dòng)鏈?zhǔn)欠駭嚅_(kāi)的情況。

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)手動(dòng)回參考點(diǎn)的設(shè)置要求設(shè)置好參數(shù)后，參考點(diǎn)回零方式需要安裝減速碰塊來(lái)進(jìn)行回零過(guò)程的判斷。這種回參考點(diǎn)的方式需要根據(jù)進(jìn)給軸的最快移動(dòng)速度及第2反饋標(biāo)志位來(lái)判斷。回零判斷如圖1 所示［2］。

圖1 減速極限開(kāi)關(guān)設(shè)置條件

式中:LDW為減速擋塊寬幅 (mm);

vR為快速移動(dòng)速度 (mm/min);

TR為快速移動(dòng)時(shí)間常數(shù) (ms);

TS為伺服時(shí)間常數(shù) (ms);

vL為參考點(diǎn)返回FL速度 (mm/min);

LDA為減速極限開(kāi)關(guān)解除和參考點(diǎn)之間的距離。

按照例子:

最小碰塊距離LDW＞(3 000×(100/2+30+100)+4×400×100)/(60×1 000)=11.66 mm

碰塊長(zhǎng)度必須大于11.66 mm，否則無(wú)法減速。如果碰塊長(zhǎng)度不夠，會(huì)導(dǎo)致回零失敗或直接撞擊硬限位。

機(jī)床“*DEC1”為回零快速移動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，默認(rèn)上升沿有效。如按照“*DEC1”默認(rèn)設(shè)置，則進(jìn)給軸以快速移動(dòng)速度去撞擊減速碰塊，直到減速極限點(diǎn)后開(kāi)始以FL速度找參考點(diǎn)，直到找到零標(biāo)記位或直接撞擊硬限位。

圖2為該型機(jī)床鏜軸機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)于FANUC數(shù)控系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)編碼器為第2反饋，通過(guò)回零碰塊激活回零方式較為少見(jiàn)，多數(shù)情況為絕對(duì)編碼器電機(jī)半閉環(huán)控制。

圖2 鏜軸傳動(dòng)及反饋

旋轉(zhuǎn)編碼器不同于直線增量光柵尺，增量光柵尺有許多固定的回零參考點(diǎn)，分布在整個(gè)光柵尺上［3］。編碼器直接連接到絲桿，每旋轉(zhuǎn)一周或一個(gè)絲桿螺距，系統(tǒng)將檢測(cè)到零標(biāo)記點(diǎn)，即參考點(diǎn)，因此使用外置編碼器反饋需要使用碰塊式回零，而旋轉(zhuǎn)編碼器每圈只有一個(gè)參考點(diǎn)，不使用碰塊回零，那么在任意位置回參考點(diǎn)將在正負(fù)一個(gè)絲桿螺距處找到參考點(diǎn)，這不是作者所需要的。按照數(shù)控系統(tǒng)要求安裝回零碰塊，如圖3所示。

圖3 鏜軸回零碰塊及正負(fù)限位

按照?qǐng)D3，默認(rèn)數(shù)控系統(tǒng)“*DEC1”的回零方式，可分為3種情況:(1)當(dāng)回零開(kāi)關(guān)在“回零移動(dòng)距離”外，機(jī)床以該軸回零快速設(shè)定的值移動(dòng)，直到碰到“回零碰塊”后減速，需要LDW足夠長(zhǎng)使其減速，當(dāng)減速到以FL的速度移動(dòng)時(shí)，開(kāi)始找參考點(diǎn)，一個(gè)絲桿螺距內(nèi)將找到參考點(diǎn)，回零成功并結(jié)束移動(dòng)。(2)當(dāng)鏜軸回零開(kāi)關(guān)在“回零碰塊”上，即觸發(fā)了開(kāi)關(guān)，機(jī)床將以機(jī)床設(shè)定的FL速度移動(dòng)，直到回零成功或撞到正限位為止。(3)當(dāng)鏜軸回零開(kāi)關(guān)在回零移動(dòng)距離內(nèi)，不在“回零碰塊”上，機(jī)床將以機(jī)床設(shè)定的最快速度移動(dòng)，直到撞到正限位，回零失敗。經(jīng)過(guò)調(diào)整碰塊的位置、長(zhǎng)度，如圖4所示。

圖4 調(diào)整后的鏜軸回零碰塊及正負(fù)限位

這里就只存在2種情況:

(1)當(dāng)回零開(kāi)關(guān)在“回零移動(dòng)距離”外，機(jī)床以該軸回零快速設(shè)定的值移動(dòng)，直到碰到“回零碰塊”后減速，需要LDW足夠長(zhǎng)使其減速，當(dāng)減速到以FL的速度移動(dòng)時(shí)，開(kāi)始找參考點(diǎn)，一個(gè)絲桿螺距內(nèi)將找到參考點(diǎn)，回零成功并結(jié)束移動(dòng)。

(2)當(dāng)鏜軸回零開(kāi)關(guān)在“回零碰塊”上，機(jī)床將以機(jī)床設(shè)定的FL速度移動(dòng)，直到回零成功或撞到正限位為止。

為使碰塊回零較為安全，只對(duì)“*DEC1”信號(hào)做改動(dòng)，即3003#5=1，設(shè)置為在“1”信號(hào)下有效。對(duì)于上述情況分別為:(1)當(dāng)回零開(kāi)關(guān)在“回零移動(dòng)距離”外，機(jī)床以該軸FL設(shè)定的值移動(dòng)，直到碰到回零碰塊后開(kāi)始找參考點(diǎn)，一個(gè)絲桿螺距內(nèi)將找到參考點(diǎn)，回零成功并結(jié)束移動(dòng)。其回零移動(dòng)距離大于絲桿螺距即可，否則回零失敗。(2)當(dāng)鏜軸回零開(kāi)關(guān)在回零碰塊上，機(jī)床將以機(jī)床設(shè)定的快速回零速度移動(dòng)，直到撞到正限位為止，即使以快速回零速度撞硬限位，其移動(dòng)距離較短，也不會(huì)對(duì)硬限位造成較大沖擊，可視為安全［4］。

2 其他相關(guān)設(shè)置

設(shè)計(jì)好機(jī)床硬件部分后，需要對(duì)軟件即數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)做相應(yīng)的設(shè)定及調(diào)整。數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置正確與否，與數(shù)控系統(tǒng)的功能及機(jī)床的性能相關(guān)。在運(yùn)用過(guò)程中，鏜軸回零成功后，需要系統(tǒng)自動(dòng)移動(dòng)到機(jī)床機(jī)械零點(diǎn)功能有效。需要修改相關(guān)參數(shù)，并且手動(dòng)輸入移動(dòng)量。當(dāng)?shù)谝淮螀?shù)修改調(diào)整好后，參考點(diǎn)位移功能及零點(diǎn)位置有效，能保證其坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。但是在生產(chǎn)過(guò)程或機(jī)床維修時(shí)，如移動(dòng)過(guò)回零碰塊或回零開(kāi)關(guān)后，可能影響鏜軸的零點(diǎn)偏移，甚至回零失敗。

相關(guān)機(jī)床參數(shù):

1008#4=1:在基于柵格方式的參考點(diǎn)返回操作中，參考點(diǎn)位移功能 (0無(wú)效，1有效)。

1844:參考點(diǎn)偏移功能的參考點(diǎn)偏移量為0時(shí)，或者基于柵格的參考點(diǎn)返回時(shí)，到最初的柵格點(diǎn)的距離。

1850:每個(gè)軸的柵格位移量/參考點(diǎn)位移量。

如對(duì)機(jī)床參數(shù)不了解，只通過(guò)調(diào)試1850參數(shù)，是無(wú)法調(diào)試好的。需要對(duì)1844進(jìn)行調(diào)試。而1844是系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定的，無(wú)法直接通過(guò)手動(dòng)輸入修改的。如需要調(diào)整碰塊位置或開(kāi)關(guān)位置，并對(duì)機(jī)械零點(diǎn)做調(diào)整，需要同時(shí)把1844及1850參數(shù)清除后才可重新設(shè)置。如果只清除1850不清除1844，機(jī)床將默認(rèn)以1844為基準(zhǔn)點(diǎn)零點(diǎn)偏移，無(wú)論怎么修改1850，其零位不對(duì)或回零失敗。

3 總結(jié)

使用外置旋轉(zhuǎn)編碼器直接連接絲桿，直接檢測(cè)絲桿位置，減小了測(cè)量誤差，提高了機(jī)床反饋檢測(cè)的精度及機(jī)床坐標(biāo)的準(zhǔn)確性;代替了價(jià)格昂貴的光柵尺，大大降低了機(jī)床成本，提高了機(jī)床的性價(jià)比，對(duì)提高機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、擴(kuò)大機(jī)床的市場(chǎng)份額具有重要意義。

［1］ FANUC 公司.Series oi-Model D Connection Manual(Function)［M］.

［2］ FANUC 公司.Series oi-Model D Connection Manual(Function)［M］.

［3］湯彩萍.FANUC編碼器技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.金屬加工:冷加工，2008(22):64－66.

［4］李巧潔，譚國(guó)斌.FANUC數(shù)控系統(tǒng)典型故障分析［J］.設(shè)備管理與維修，2007(5):25－26.