張洪濤

(北京市燕科新技術(shù)總公司 北京102200)

0 引言

數(shù)控機(jī)床作為計(jì)算機(jī)控制的數(shù)控系統(tǒng)，其核心就是計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)控制技術(shù)。數(shù)控機(jī)床的控制部分可以分為數(shù)字控制和順序程序控制兩部分，它們是兩個(gè)不同的控制部件。數(shù)字控制主要可以完成復(fù)雜的運(yùn)算及機(jī)床坐標(biāo)軸位置的移動(dòng)，即控制刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和主軸運(yùn)轉(zhuǎn)控制。順序程序控制主要對(duì)機(jī)床側(cè)輸入信息進(jìn)行采樣和接收CNC(Computerized Numerical Controller)的M代碼S代碼T代碼等，完成對(duì)數(shù)控機(jī)床外圍部件的控制。

在數(shù)控機(jī)床控制中，數(shù)字控制和順序控制二者缺一不可，它們之間可以通過規(guī)定的接口信號(hào)進(jìn)行相互間的信息交互。因此，可編程序機(jī)床控制器是數(shù)字控制與機(jī)床之間的聯(lián)系橋梁，通過它建立了機(jī)床系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的信息交互，最終完成數(shù)控機(jī)床加工的任務(wù)。

數(shù)控系統(tǒng)是在硬件的支持下，通過執(zhí)行控制軟件來進(jìn)行工作的，其控制功能和特點(diǎn)在很大程度上取決于硬件結(jié)構(gòu)［1］。在FANUC數(shù)控CNC中集成了可編程序機(jī)床控制器PMC，使數(shù)控機(jī)床的控制結(jié)構(gòu)更加緊湊，人機(jī)界面友好，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。數(shù)控系統(tǒng)不僅具有了可編程序控制器的一些高級(jí)功能，而且功能更豐富，通信功能更強(qiáng)，保證了數(shù)控機(jī)床對(duì)某些實(shí)時(shí)性要求很高的信號(hào)得到迅速響應(yīng)，大大提高了機(jī)床工作運(yùn)行的可靠性。下面從數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)入手介紹它們的可編程序機(jī)床控制器編程過程。

1 運(yùn)行準(zhǔn)備

1.1 緊急停止

如果按下機(jī)床操作面板上的緊急停止按鈕，立即停止機(jī)床的移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，在梯圖中當(dāng)信號(hào)*ESP(G8.4)成為0時(shí)，機(jī)床就進(jìn)入緊急停止?fàn)顟B(tài)，停止機(jī)床的移動(dòng)。在緊急停止按鈕回路中通常串聯(lián)超程檢測的極限開關(guān)常閉觸點(diǎn)，以使機(jī)床能夠在錯(cuò)誤超程中停止運(yùn)行。急停按鈕(X8.4)的連接是按鈕的常閉觸點(diǎn)，且按鈕具有自鎖功能［2］。

1.2 方式選擇

在準(zhǔn)備就緒信號(hào)MA(F0001.7)為1時(shí)，表明CNC已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的事實(shí)。伺服準(zhǔn)備就緒信號(hào)SA(F000.6)為1時(shí)，表明伺服系統(tǒng)處在能夠正常動(dòng)作的狀態(tài)。報(bào)警中信號(hào)AL(F0001.0)為1，表明CNC處在報(bào)警狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)包括的內(nèi)容有:超程報(bào)警，過熱報(bào)警，伺服報(bào)警等。只有這些信號(hào)在正常狀態(tài)下，才能進(jìn)入下面的任務(wù)。

機(jī)床操作面板上，核心的操作開關(guān)就是方式選擇開關(guān)，它決定了操作目的。方式選擇信號(hào)是由MD1，MD2，MD4等信號(hào)復(fù)合構(gòu)成的代碼信號(hào)。通過這些信號(hào)的組合，可以選擇各種工作方式:存儲(chǔ)器編輯DEIT、存儲(chǔ)器運(yùn)行MEM、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入MDI、手控手輪進(jìn)給/增量進(jìn)給INC、JOG進(jìn)給。此外通過組合存儲(chǔ)器運(yùn)行信號(hào)和ZRN信號(hào)來選擇手動(dòng)參考點(diǎn)返回方式。

表1是發(fā)那科公司給出的方式選擇信號(hào)與確認(rèn)信號(hào)的關(guān)系表，需要某種工作方式時(shí)，就要相應(yīng)的組合出對(duì)應(yīng)的信號(hào)提供給CNC，作為CNC的輸入信號(hào)。在機(jī)床操作面板上，選擇了一個(gè)具有六個(gè)檔位的波段開關(guān)，分別對(duì)應(yīng)將要設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床的六個(gè)功能。

從表1看出，MD2信號(hào)只有在存儲(chǔ)器編輯功能時(shí)有信號(hào)，其余都為0。再看表3，當(dāng)處于存儲(chǔ)器編輯的功能時(shí)，波段開關(guān)給出的信號(hào)都是0，可以取三個(gè)信號(hào)的反向信號(hào)，再進(jìn)行邏輯與的操作。如果用A代表可編程序機(jī)床控制器 PMC的輸入信號(hào)X0006.0，B 代表信號(hào) X0006.1，C 代表 X0006.2。就可以寫出下式:

表1 方式選擇信號(hào)和確認(rèn)信號(hào)

表2 信號(hào)地址表

表3 輸入信號(hào)表

對(duì)于DNCI信號(hào)，任何時(shí)候都沒有信號(hào)輸入，不再給它提供輸入信號(hào)了。

DNC I(G0043.5)=(空)，在梯形圖上不再出現(xiàn)。

ZRN信號(hào)在手動(dòng)參考點(diǎn)返回時(shí)有信號(hào)輸入，對(duì)應(yīng)于表3我們可以寫出下式:

從表1再看信號(hào)MD4，它在手輪進(jìn)給、JOG進(jìn)給和手動(dòng)參考點(diǎn)返回，三個(gè)功能上出現(xiàn)了輸入信號(hào)，所以就可以把單個(gè)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)的邏輯關(guān)系分別列出，再將這三個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯或就可以了，如下式:

同理，我們有下式:

有了上面列出的邏輯式，可以直接寫出PMC的梯形圖。

2 手動(dòng)運(yùn)行

手動(dòng)運(yùn)行包括手動(dòng)進(jìn)給(JOG)，手動(dòng)增量進(jìn)給(INC)，手控手輪進(jìn)給(MPG)三種方式。本設(shè)計(jì)采用了JOG進(jìn)給與MPG進(jìn)給兩種方式。工作方式通過CNC的操作方式選擇信號(hào)進(jìn)行選擇。

2.1 手動(dòng)(JOG)進(jìn)給

設(shè)定工作方式為JOG進(jìn)給，通過手動(dòng)方向鍵控制的軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的軸方向鍵按下時(shí)，坐標(biāo)軸以手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給速度移動(dòng)，松開后停止。運(yùn)行的速度通過手動(dòng)倍率開關(guān)設(shè)定。

通過參數(shù)(1423)設(shè)定來確定手動(dòng)進(jìn)給速度的100%值，再乘以由該信號(hào)選擇的倍率值則為實(shí)際的進(jìn)給速度。通過設(shè)定JV0-JV15的速度倍率值，可以在0-655.34%的范圍內(nèi)調(diào)整速度倍率。在機(jī)床面板上設(shè)計(jì)了16個(gè)速度倍率檔位的波段開關(guān)。手動(dòng)進(jìn)給倍率信號(hào)*JV0-*JV15是低電平有效信號(hào)，較為簡便的設(shè)定方法是將倍率值乘以100，加1取反后的結(jié)果設(shè)定到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)中，即設(shè)定值=-(實(shí)際倍率值*100+1)，例如倍率值為20%時(shí)，設(shè)定數(shù)據(jù)為-21。都為0或都為1時(shí)倍率值為0。

2.2 手控手輪進(jìn)給

如表4所示，選擇模式功能開關(guān)在手輪方式下，利用手輪軸旋擇按鈕，選擇將被移動(dòng)的軸。通過旋轉(zhuǎn)機(jī)床操作面板上的手搖脈沖發(fā)生器進(jìn)行對(duì)應(yīng)的軸進(jìn)給。每一刻度的移動(dòng)量的最小單位就是最小設(shè)定單位，可以通過MP1，MP2所選擇的4種倍率下的移動(dòng)量。HS1A(G18.0)指定移動(dòng)X軸，HS1B(G18.1)指定移動(dòng)Z軸。鍵盤上給出了手輪進(jìn)給的四個(gè)速度倍率*1，*10，*100，*1000。按下某一個(gè)按鈕時(shí)，通過四個(gè)輸入按鈕信號(hào)的一種組合，用于驅(qū)動(dòng)手控手輪進(jìn)給移動(dòng)量選擇信號(hào)MP1，MP2。

表4 手控手輪進(jìn)給移動(dòng)量選擇信號(hào)

2.3 參考點(diǎn)建立

機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，是建立機(jī)床指標(biāo)原點(diǎn)的唯一方法，只有在具備回參考點(diǎn)功能的數(shù)控機(jī)床上，才可以建立機(jī)床坐標(biāo)系。

手動(dòng)返回參考點(diǎn):選擇手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給(JOG)方式，將手動(dòng)參考點(diǎn)返回選擇信號(hào)設(shè)為1。移動(dòng)軸與移動(dòng)方向，將進(jìn)給軸方向選擇信號(hào)設(shè)定為1后，使希望參考點(diǎn)返回的軸向參考點(diǎn)的方向進(jìn)給。確認(rèn)已經(jīng)到位后，參考點(diǎn)返回完成信號(hào)和參考點(diǎn)建立信號(hào)成為1。

3 自動(dòng)運(yùn)行

當(dāng)坐標(biāo)軸完成手動(dòng)調(diào)試，建立參考點(diǎn)以后，就可以開始進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行的調(diào)試。自動(dòng)加工模式是數(shù)控加工中最常用的操作模式［3］147。自動(dòng)運(yùn)行的內(nèi)容包括自動(dòng)運(yùn)行的啟動(dòng)、進(jìn)給保持、空運(yùn)行、單程序段運(yùn)行、機(jī)床鎖住等。

3.1 自動(dòng)運(yùn)行的啟動(dòng)(循環(huán)啟動(dòng))CYCLE START

啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先將CNC功能選擇在MDI編輯加工程序，加工程序編輯完成后，CNC的工作方式選擇在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。按動(dòng)循環(huán)啟動(dòng)按鈕X5.0，觸發(fā)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)信號(hào)ST(G7.2)即可以進(jìn)入運(yùn)行程序。

3.2 進(jìn)給保持Feed Hold

它是一種暫時(shí)中斷當(dāng)前的全部自動(dòng)加工程序的動(dòng)作，并且保留現(xiàn)場信息的停止方式，它是最常用的自動(dòng)加工停止方式。當(dāng)進(jìn)給保持狀態(tài)取消后，可以通過循環(huán)啟動(dòng)按鈕繼續(xù)進(jìn)行被中斷的自動(dòng)加工程序。

3.3 單段程序SINGLE BLOCK

在自動(dòng)運(yùn)行中，當(dāng)按下單程序段按鈕X0.0時(shí)，使單程序段信號(hào)SBK(G46.1)=1時(shí)，在執(zhí)行當(dāng)前正在執(zhí)行中的程序段的指令后，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行停止?fàn)顟B(tài)。

3.4 空運(yùn)行DRY RUN

在自動(dòng)運(yùn)行中，利用手動(dòng)進(jìn)給速度代替程序中的進(jìn)給速度的運(yùn)行方式。該功能用來在機(jī)床不裝工件的情況下檢查機(jī)床的運(yùn)動(dòng)［4］155。

3.5 程序跳讀BLOCK SKIP

在自動(dòng)運(yùn)行中，在指令程序中出現(xiàn)可選程序段跳過已被指令的程序段時(shí)，若對(duì)應(yīng)的可選擇程序段跳過信號(hào)為1時(shí)，則忽略該程序段，若是0則按通常方式執(zhí)行。對(duì)于需要在不同情況下選擇不同程序段跳過的情況下，由不同的控制信號(hào)進(jìn)行跳段控制。

3.6 機(jī)床鎖住MC LOCK

機(jī)床鎖住是通過觀察機(jī)床位置顯示的變化，檢查刀具運(yùn)行軌跡距離正確性的一種程序模擬方法，可以保持機(jī)械不運(yùn)動(dòng)地觀察位置顯示的變化?？梢栽诓灰苿?dòng)機(jī)床的情況下檢測位置顯示的變化［4］155。

4 主軸功能

隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，目前數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)配變頻器控制的方式［5］。主軸模擬量輸出是通過CNC內(nèi)部附加的D/A轉(zhuǎn)換器，自動(dòng)將S代碼(數(shù)字量)轉(zhuǎn)換為模擬電壓值(DC-10～10 V)的功能［6］。由于采用的是模擬主軸，所以用S指令實(shí)際輸出的是設(shè)置成DC0～10 V的模擬電壓。這個(gè)模擬電壓加到變頻器的輸入端，用變頻器控制主軸電機(jī)的運(yùn)行。本設(shè)備采用了西門子MICROMASTER420系列變頻器作為主軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。

S指令通過主軸轉(zhuǎn)速的命令控制方式輸出主軸轉(zhuǎn)速命令，但實(shí)際進(jìn)行控制的是主軸電機(jī)，因此CNC要通過切換齒輪的信號(hào)輸出控制主軸的輸出轉(zhuǎn)速。主軸速度倍率信號(hào)的調(diào)節(jié)是用快速倍率開關(guān)調(diào)節(jié)的，它包括了60%，70%，80%，90%，100%，110%和120%共七檔倍率信號(hào)。SSIN(G33.6)=0主軸電機(jī)指令極性選擇信號(hào)，這是選擇由CNC來控制主軸電機(jī)的速度指令輸出極性的選擇信號(hào)，通過參數(shù)TCW，CWM(3706#7，#6)的設(shè)定和M03/M04的指令來確定輸出極性。

5 輔助功能

輔助功能是用于基本坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)以外其他動(dòng)作控制的功能。輔助功能包括:用于指令主軸啟動(dòng)，主軸停止的代碼。程序結(jié)束的輔助功能M代碼，主軸功能選通的S代碼和刀具功能選通的T代碼，還有用于指令分度臺(tái)的定位的第二輔助功能B代碼，輔助功能可以在CNC加工程序中進(jìn)行編程，在執(zhí)行加工程序時(shí)，CNC對(duì)其譯碼并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信號(hào)傳送到PMC上。輔助功能的動(dòng)作是用PMC程序控制執(zhí)行的。

我們?cè)诰幹萍庸こ绦蛑?，加入輔助功能控制指令，CNC接受以十進(jìn)制數(shù)表示的輔助功能后，發(fā)出輔助功能選通脈沖信號(hào)MF(F7.0)和輔助功能代碼信號(hào)。外部輔助功能動(dòng)作完成后，PMC返回輔助功能完成信號(hào)FIN(G4.3).同時(shí)CNC也發(fā)出分配結(jié)束信號(hào)，等待PMC的輔助功能完成信號(hào)。

自動(dòng)換刀裝置的功能就是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動(dòng)交換［7］。旋轉(zhuǎn)刀架是采用電機(jī)控制自動(dòng)換刀的四工位裝置，它可以同時(shí)安裝四把刀具，在切削工程中由指令指定正在工作的刀具，而且可以隨時(shí)更換。旋轉(zhuǎn)刀架用電機(jī)控制換刀的過程，當(dāng)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)換刀具位置，用霍爾元件檢測位置信息。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定位置時(shí)電機(jī)停止，并且反轉(zhuǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)刀架的鎖緊動(dòng)作，進(jìn)入工作狀態(tài)。

6 結(jié)束語

在機(jī)床各種運(yùn)動(dòng)功能都產(chǎn)生以后，還要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試，才能滿足要求。由于在設(shè)計(jì)中采用了將全部IO點(diǎn)都顯示在面板上，直觀的顯示出各個(gè)輸入輸出狀態(tài)，方便了機(jī)床的調(diào)試運(yùn)行。該設(shè)計(jì)中，通過實(shí)際加工工件找出設(shè)計(jì)不足，反復(fù)修改調(diào)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

［1］梅雪松.機(jī)床數(shù)控技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2013.

［2］李繼中.機(jī)床數(shù)控調(diào)試技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［3］樊軍慶.數(shù)控技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［4］羅敏.FANUC數(shù)控系統(tǒng)PMC編程技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［5］李夢(mèng)群，馬維金，王愛玲，等.現(xiàn)代數(shù)控車床故障診斷及維修［M］.3版.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［6］龐仲華.FANUC-0iC數(shù)控系統(tǒng)完全應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［7］王愛玲.機(jī)床數(shù)控技術(shù)［M］.2版.北京:高等教育出版社，2013.