張鋒　盧浩鵬　王亞飛（一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司，河南洛陽　471004）

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凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)改造

張鋒盧浩鵬王亞飛
（一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司，河南洛陽471004）

【摘 要】凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)由一百四十多塊印刷線路板（由分離電子元件構(gòu)成）組成，經(jīng)過二十多年的長期使用，許多線路板接插腳和參數(shù)設(shè)定撥碼開關(guān)接觸不良，對凸輪軸數(shù)控磨床進(jìn)行部分?jǐn)?shù)控硬件升級(jí)改造，改造成西門子公司經(jīng)濟(jì)型、步進(jìn)電機(jī)控制軸的802S數(shù)控系統(tǒng)，它無風(fēng)扇、無硬盤，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

【關(guān)鍵詞】砂輪修整器步進(jìn)電機(jī)伺服軸報(bào)警診斷

1　概述

該機(jī)床使用的數(shù)控系統(tǒng)是由機(jī)床生產(chǎn)廠（日本NTC公司）自己研制的專用硬件數(shù)控系統(tǒng)（MF微進(jìn)給系統(tǒng)），該數(shù)控系統(tǒng)由一百四十多塊印刷線路板（由分離電子元件構(gòu)成）組成，經(jīng)過二十多年的長期使用，許多線路板接插腳和參數(shù)設(shè)定撥碼開關(guān)接觸不良，故障率較高。

近年來，SCAM老凸輪軸磨床頻繁出現(xiàn)“撞刀”故障，即砂輪架快速進(jìn)給時(shí)砂輪撞到了凸輪桃尖，凸輪桃尖磨掉，零件燒傷，有時(shí)在加工時(shí)還沒有到達(dá)加工尺寸砂輪會(huì)退回去，然后工作臺(tái)移位，開始加工下一個(gè)凸輪。造成零件報(bào)廢的同時(shí)也給機(jī)床設(shè)備和操作人員帶來了巨大安全隱患。

2　故障分析

經(jīng)過仔細(xì)觀察，當(dāng)加工完中間凸輪頸，砂輪實(shí)際后退到5mm位置，本應(yīng)RESET OK指示燈亮?xí)r，MF數(shù)控單元錯(cuò)誤地顯示砂輪后退位置為：10mm，MAX RESET指示燈亮，但實(shí)際位置仍然為5mm，這樣在磨削下個(gè)凸輪頸時(shí)，砂輪快速進(jìn)給量被錯(cuò)誤地增加了5mm，使得砂輪快速空行程進(jìn)給時(shí)，砂輪撞到凸輪軸上，即發(fā)生“撞刀”故障。

經(jīng)過分析，該故障發(fā)生時(shí)的主要原因是控制砂輪進(jìn)給和砂輪修整進(jìn)給的數(shù)控系統(tǒng)老化所致。該數(shù)控系統(tǒng)由一百四十多塊印刷線路板（由分離電子元件構(gòu)成）組成，經(jīng)過二十多年的長期使用，許多線路板接插腳和參數(shù)設(shè)定撥碼開關(guān)接觸不良，故障率較高。

該系統(tǒng)僅有部分功能框圖，沒有詳細(xì)維修圖紙，僅有的一份功能框圖長期使用圖紙模糊，給機(jī)床維修帶來巨大困難，近年來最長一次故障停機(jī)時(shí)間長達(dá)兩個(gè)星期，嚴(yán)重影響凸輪軸的加工生產(chǎn)效率和合格率，需要對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

圖1　

3　改造方案

SCAM凸輪磨配置了兩個(gè)進(jìn)給軸，一個(gè)是砂輪架進(jìn)給軸，一個(gè)是砂輪修整器進(jìn)給軸，兩個(gè)進(jìn)給軸均是步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給軸，砂輪修整器進(jìn)給軸步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)良好，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還有完好的備件，在綜合考慮了上述情況后，SCAM凸輪磨電氣控制系統(tǒng)的改造項(xiàng)目，數(shù)控系統(tǒng)選用西門子公司SINUMERIC 802S數(shù)控系統(tǒng)。改造方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

802S數(shù)控系統(tǒng)屬于西門子公司經(jīng)濟(jì)型、步進(jìn)電機(jī)控制軸數(shù)控系統(tǒng)，無風(fēng)扇、無硬盤，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。數(shù)控系統(tǒng)集成了機(jī)床操作面板（MCP），具有數(shù)控機(jī)床常用操作按鍵，外圍接線少，調(diào)試方便。該數(shù)控系統(tǒng)控制軸輸出信號(hào)為步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，這樣我們就可以保留備件齊全的砂輪修整器進(jìn)給軸步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)可以利用閑置的802S數(shù)控系統(tǒng)，減少改造工作量，大大降低改造費(fèi)用。

4　改造措施

為節(jié)約成本，在該改造方案中要保留砂輪修整器進(jìn)給軸日本VEXTA UD210 驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)，然而VEXTA UD210驅(qū)動(dòng)器和西門子802S數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不匹配，802S數(shù)控系統(tǒng)控制軸輸出信號(hào)是：PLUS+/PLUS-、DIR+/DIR-、ENABLE+/ENABLE-即脈沖、方向、使能差動(dòng)輸出，而VEXTA UD210驅(qū)動(dòng)器需要的信號(hào)是：CW+/CW-、CCW+/CCW-即正反轉(zhuǎn)差動(dòng)脈沖信號(hào)。

通過使用示波器觀察802S系統(tǒng)輸出控制軸信號(hào)波形，測出了PLUS+/PLUS-、DIR+/DIR-、ENABLE+/ENABLE-信號(hào)的邏輯關(guān)系，據(jù)此我們自己手動(dòng)設(shè)計(jì)制作一個(gè)脈沖適配器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換。通過脈沖適配器的轉(zhuǎn)換，802S數(shù)控系統(tǒng)控制軸的輸出信號(hào)就可以轉(zhuǎn)換成VEXTA UD210驅(qū)動(dòng)器需要的信號(hào)。

根據(jù)設(shè)備需求，我們將西門子802S標(biāo)準(zhǔn)配置通過參數(shù)修改，將系統(tǒng)配置成機(jī)床要求的配置。并根據(jù)加工特點(diǎn)與設(shè)備維護(hù)，進(jìn)行了部分設(shè)備改造與加裝。

4.1反向間隙補(bǔ)償

由于砂輪加工來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在不同加工余量進(jìn)行多次變速，還有凸輪軸的剛性。使得需求跟合理的間隙補(bǔ)償，而802S就有反向間隙補(bǔ)償。

在正間隙情況下（正常情況），實(shí)際編碼器值超前于實(shí)際值（工作臺(tái)）：工作臺(tái)不會(huì)移動(dòng)的足夠遠(yuǎn)。

在一個(gè)移動(dòng)的機(jī)器部件與它的驅(qū)動(dòng)裝置（如滾珠螺桿）之間進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)的過程中，一般會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的間隙，因?yàn)閷C(jī)械部件調(diào)整為沒有一點(diǎn)間隙將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重磨損并將機(jī)器破壞。對于帶有間接測量系統(tǒng)的軸/主軸，機(jī)械間隙會(huì)將移動(dòng)路徑破壞。 例如，在將運(yùn)動(dòng)方向反轉(zhuǎn)時(shí)，間隙的存在會(huì)使軸的移動(dòng)量過大或過小。

為了對間隙加以補(bǔ)償，某個(gè)軸的實(shí)際值可在每次軸/主軸反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，通過間隙量進(jìn)行校正。

4.2診斷功能

為了進(jìn)行維護(hù)，控制裝置中集成了一個(gè)自診斷程序和一些測試輔助工具。操作員面板上將顯示以下部分的狀態(tài)：CNC和PLC以及PLC和機(jī)床之間的接口信號(hào)；變量；PLC位存儲(chǔ)器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；PLC輸入和輸出。

為了進(jìn)行測試，用戶可以設(shè)置輸出信號(hào)、輸入信號(hào)和存儲(chǔ)器位的組合。報(bào)警和消息也可提供寶貴的診斷信息。在維護(hù)顯示菜單中，可調(diào)用與軸和主軸驅(qū)動(dòng)器有關(guān)的重要信息，如：絕對實(shí)際位置（僅限SINUMERIK 802C base line/802D/802D base line），位置給定值，跟蹤誤差（僅限 SINUMERIK 802C base line/802D/802D base line），速度設(shè)定值，實(shí)際速度值。

4.3報(bào)警和消息

零件程序中的報(bào)警與消息：我們對消息進(jìn)行編程，以便在程序執(zhí)行過程中為操作員提供關(guān)于當(dāng)前處理狀態(tài)的信息。

所有報(bào)警與消息都以普通文字的形式在操作員面板上輸出，并通過一個(gè)符號(hào)來指示清除標(biāo)準(zhǔn)。報(bào)警文字存儲(chǔ)在控制器中。來自機(jī)床的報(bào)警與消息可以普通文字的形式通過PLC程序顯示。狀態(tài)消息和故障消息有所不同。狀態(tài)消息可立即被清除，而故障消息總要得到確認(rèn)?？刂破鲗?bào)警或消息的響應(yīng)可進(jìn)行組態(tài)，而所需文本存儲(chǔ)在控制器中。

4.4原點(diǎn)返回方法

我們在砂輪軸與金剛輪軸都加裝了原點(diǎn)開關(guān)，松開緊急停止按鈕，啟動(dòng)液壓后，按復(fù)位鍵。使手動(dòng)按鈕和回零按鈕呈按下狀態(tài)，對砂輪軸X回零，按住+X（當(dāng)X軸加裝的原點(diǎn)開關(guān)處于未觸發(fā)狀態(tài)），直到X坐標(biāo)為零，界面上X位置出現(xiàn)回零燈，若中途松開按鈕，會(huì)出現(xiàn)警告框，此時(shí)按復(fù)位取消警告，可繼續(xù)進(jìn)行操作，若X軸在啟動(dòng)時(shí)正號(hào)停在原點(diǎn)開關(guān)觸發(fā)位置，則需要按手動(dòng)脫開原點(diǎn)開關(guān)，然后再執(zhí)行回零操作。同樣方法對金剛輪軸Z回零。

我們將西門子802S數(shù)控系統(tǒng)安裝在原MF單元的控制箱上，減少了安裝工作量。保留了802S操作面板上操作方式切換鍵、循環(huán)啟動(dòng)、停止鍵，大大方便機(jī)床維修工作。通過在MCP面板上設(shè)置的K12鍵，使得循環(huán)啟動(dòng)可以人為控制，這樣就巧妙地實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)頸磨削功能。新增手持電子手輪，比原機(jī)床固定電子手輪增加了修整器進(jìn)給軸控制功能、手輪進(jìn)給倍率功能，方便了零件加工調(diào)整。

5　改造效果

（1）項(xiàng)目實(shí)施完成后，經(jīng)過一個(gè)多月的使用，沒有出現(xiàn)過 “撞刀”故障，成功地解決了SCAM凸輪磨“撞刀”難題。達(dá)到了降低機(jī)床故障率，降低零件加工廢品率。排除了因“撞刀”造成的對設(shè)備和操作人員帶來的安全隱患，提高機(jī)床操作安全性能。（2）項(xiàng)目實(shí)施后，除了保留原系統(tǒng)具有的錐度補(bǔ)償、修整補(bǔ)償外，新增了單獨(dú)頸尺寸補(bǔ)償，提高了零件加工尺寸的一致性。（3）改造項(xiàng)目將數(shù)控系統(tǒng)由原來的硬件數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)為計(jì)算機(jī)為核心的軟硬件結(jié)合的新型數(shù)控系統(tǒng)，避免了硬件數(shù)控系統(tǒng)長期使用后電路板插腳接觸不良造成的數(shù)控系統(tǒng)故障率高，維修困難的難題。新型數(shù)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)PLC I/O接口狀態(tài)監(jiān)控，使得維修更為便捷，從而降低設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。（4）成立了年輕同志的SCAM凸輪軸磨床電氣改造項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，通過項(xiàng)目的實(shí)施，使得年輕同志掌握了西門子802S/C數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)配置技術(shù)、零件加工程序的編程、PLC程序設(shè)計(jì)。掌握了西門子PLC程序調(diào)試軟件的使用要求。現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)中的年輕同志已經(jīng)掌握了該機(jī)床的維修技術(shù)，能夠獨(dú)立解決該機(jī)床出現(xiàn)的常見故障，提高了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的業(yè)務(wù)水平。

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