■ 大連大森數(shù)控技術(shù)發(fā)展中心有限公司 （遼寧 116023） 李洪波 馮明霞 李怡萱

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1. 實現(xiàn)方法分析

（1）機(jī)床的配置和功能要求。該機(jī)床是根據(jù)客戶實際需求，結(jié)合通用復(fù)合機(jī)床的控制原理，以側(cè)重于汽車零部件加工為主進(jìn)行設(shè)計。機(jī)床采用動柱式龍門結(jié)構(gòu)，其中，X1、X2軸采用同期控制，Y軸單獨控制，Z1、Z2軸采用同期控制，B軸采用搖籃式擺動軸，B軸上裝有A、C兩個旋轉(zhuǎn)軸，刀庫采用PLC軸控制，主軸采用伺服主軸，NC軸和主軸共計10個軸。機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）數(shù)控系統(tǒng)選型。根據(jù)機(jī)床的配置要求，參照三菱M70A的系統(tǒng)規(guī)格表（見表1），M70A的銑床版本，最多可以控制8個NC軸、6個PLC軸和2個主軸，總控制軸數(shù)最多11個，符合該機(jī)床的控制要求。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計人員提供的機(jī)床各軸工作特性和轉(zhuǎn)矩要求，選擇配置如表2所示。

各軸電動機(jī)分配如表3所示。

2. 技術(shù)難點分析

（1）系統(tǒng)總控制軸數(shù)為10軸。根據(jù)機(jī)床的整體設(shè)計要求，總控制軸數(shù)必須達(dá)到10軸。其中，設(shè)計刀庫時，原計劃也要采用NC軸控制，但是限于M70A系統(tǒng)的NC控制軸數(shù)最多是8個，只能將刀庫改為PLC軸控制，這樣，機(jī)床一共有10個軸，其中有8個NC軸、1個PLC軸和1個主軸。伺服連接后，如圖2所示。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)軸名稱的命名規(guī)則以及便于控制和識別的原則，將各軸命名及通道編號設(shè)置如表4所示。

其中，X和U作為一組同期控制軸，Z和W作為一組同期控制軸，P作為PLC軸。

硬件連接和檢查完畢后，開始通電調(diào)試。根據(jù)三菱標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)表，設(shè)置好系統(tǒng)基本參數(shù)以及各軸參數(shù)后，系統(tǒng)上電，出現(xiàn)報警“Y07 連接軸數(shù)超限 0001”，如圖3所示。

再次核對M70A的規(guī)格表，機(jī)床實際連接軸數(shù)均符合要求，沒有超過限制軸數(shù)。因為PLC軸的控制方式有別于NC軸，于是去掉PLC軸，重新上電，還是出現(xiàn)相同報警；再去掉主軸，同時將#1039參數(shù)設(shè)為0，這時不再報警。經(jīng)過進(jìn)一步試驗發(fā)現(xiàn)，無論去掉NC軸、PLC軸還是主軸，只要總的連接軸數(shù)為8個或以下，就不發(fā)生報警，據(jù)此判斷，應(yīng)為規(guī)格所限。連接手冊中有一處說明，1個伺服通道最多只能連接8個軸，8個軸以上時，可以增加擴(kuò)展單元（FCU7-EX891+HN552），擴(kuò)展一個光纜接口。但是，增加的硬件訂貨周期較長，又增加額外成本。后來，查詢到#11012參數(shù)，可以設(shè)定通道1的最多連接軸數(shù)，將其設(shè)定為1時，最多可連接16軸，但“OMR-DD”功能（與高速剛性攻螺紋有關(guān)）不可使用，因為MDS-D-SVJ3系列伺服本身不能使用“OMR-DD”功能，可以忽略此條件，報警問題得到解決。如表5所示。

表1 M70A系統(tǒng)規(guī)格

表 2

表 3

表 4

圖2 伺服連接圖

圖3 “連接軸數(shù)超限”報警

連接正常后，屏幕坐標(biāo)顯示如圖4所示（注：PLC軸在坐標(biāo)畫面不顯示）。

（2）PLC軸控制刀庫。前面提到，機(jī)床設(shè)計方案中，刀庫采用伺服控制，但是限于M70A的NC軸數(shù)限制，只能改為PLC軸控制。刀庫結(jié)構(gòu)和控制原理是特殊設(shè)計的，與傳統(tǒng)的斗笠式刀庫和刀臂式刀庫都不一樣，因此，刀庫動作流程和控制方式也與傳統(tǒng)的刀庫不同，宏程序的編寫也要按動作流程重新設(shè)計。刀庫樣式如圖5所示。

刀庫共有30個刀套，采用固定刀套的方式，控制原理類似于鉆攻機(jī)的夾臂式刀庫。根據(jù)刀庫動作流程，先編寫換刀宏程序如下：

%

#199=#4003

#198=#4006

IF[#1016EQ1]GOTO100

M5

M34

G21G91G40

N20G30P2Y0Z0M19

IF[#1200EQ1]GOTO40

GOTO20

N40G30P3X0

M10

表 5

圖4 坐標(biāo)顯示畫面

圖5 刀庫樣式

G30P3Z0

M54

G30P2Z0

M11

G30P2X0

M5

M35

N100#1100=1

G#199G#198

M99

%

對于換刀流程中的氣動裝置，刀庫門開關(guān)等控制，都是用M代碼編寫，不存在難點，主要在于M54選刀指令，PLC中與刀庫相關(guān)的旋轉(zhuǎn)和計數(shù)等指令和功能，都要改為PLC軸的方式進(jìn)行控制，這種控制方式的優(yōu)點是，可以快速和精準(zhǔn)地到達(dá)預(yù)定刀套位置，從而提高換刀速度。

根據(jù)《M700系列PLC編程說明書》中的PLC軸控制說明，如圖6所示，編寫PLC軸的控制旋轉(zhuǎn)部分。

編寫的PLC內(nèi)容如圖7所示。

調(diào)試PLC時，遇到一個問題，無論通過宏程序變量，還是通過PLC中寄存器的方式，每次將移動數(shù)據(jù)傳送到R9448寄存器時，PLC軸都可以移動，但是，再次傳送移動數(shù)據(jù)到R9448寄存器，執(zhí)行下一步移動時，PLC軸卻不動作。監(jiān)控PLC軸狀態(tài)時，發(fā)現(xiàn)R9441的bit2（軸移動中信號），一直在接通。檢查PLC控制邏輯并與《M700系列PLC編程說明書》中的示例進(jìn)行對比，沒有發(fā)現(xiàn)異常。后來，在說明書中沒有相關(guān)說明的情況下，我們嘗試在PLC軸控制時，對“移動結(jié)束” 狀態(tài)進(jìn)行主動復(fù)位，問題解決。修改好的PLC內(nèi)容如圖8所示。

刀庫中有30個刀套，每個刀套間隔12°，將旋轉(zhuǎn)角度經(jīng)計算后，由D203傳送到寄存器R9446，實現(xiàn)刀套的精確定位。

（3）二組同期軸控制。為了保證機(jī)床的機(jī)械剛性和穩(wěn)定性，機(jī)床設(shè)計為二組同期軸控制，即X軸和U軸同期，Z軸和W軸同期。

圖6 PLC軸第1軸中的PLC軸控制流程

圖 7

參照《M700系列PLC編程說明書》中的說明，考慮到是4個軸參與同期，而寄存器R2589又無法分別指定，于是嘗試將二組同期軸數(shù)據(jù)同時指定，實際上該方法完全可行。

指定方法：通過第1系統(tǒng)R2589寄存器，第2系統(tǒng)R2789寄存器指定同期控制。通過操作與R2589/R2789寄存器對應(yīng)的各軸的位，切換同期控制的ON/OFF、NC在所有軸就位時進(jìn)行動作的切換。

同期運轉(zhuǎn)方式的指定：通過基本規(guī)格參數(shù)的slavno，打開與主動軸、從動軸相關(guān)的軸對應(yīng)的兩位。例如同期運轉(zhuǎn)第2軸（主動軸），第3軸（從動軸）時，如表6所示。

單獨運轉(zhuǎn)方式的指定：使用主動軸指令打開欲使其運轉(zhuǎn)的任意一軸相對應(yīng)的位。例如僅移動第3軸（從動軸）時，如表7所示。

實際編寫的PLC內(nèi)容如圖9所示。

同期軸動作正常后，又出現(xiàn)新的問題，也就是X軸移動速度不能太快。機(jī)床的設(shè)計快移速度是48m/min，結(jié)果，實際移動速度達(dá)到8m/min左右時，負(fù)載電流就會升高到300A以上，同時出現(xiàn)“過負(fù)載2”報警，如圖10所示。再測試Z軸，也存在相同的報警問題。

考慮到同期軸可能存在的機(jī)械方面的同期誤差，我們建議機(jī)械裝配人員對機(jī)械同期性進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)問題。而且，Z軸中的兩個同期軸跨度只有400mm左右，因機(jī)械不同期而產(chǎn)生過負(fù)載的可能性很小。于是，我們脫開X軸兩個同期控制電動機(jī)，用手轉(zhuǎn)動絲杠，負(fù)載很輕。再上緊一個電動機(jī)，另一個電動機(jī)繼續(xù)脫開，也就是用一個電動機(jī)帶動雙立柱運動，沒有發(fā)生報警。試驗中，只要2個電動機(jī)同時上緊，就會出現(xiàn)報警，因此，可以排除機(jī)械卡住、電動機(jī)功率選小等原因。另外，一個奇怪的現(xiàn)象是，只有執(zhí)行G00指令時才出現(xiàn)報警，而用RAPID方式移動，相同的快移速度，卻不產(chǎn)生報警。

圖 8

表 6

表 7

圖 9

于是，重點檢查系統(tǒng)參數(shù)。首先核對伺服參數(shù)，沒有問題；然后是加減速時間常數(shù)，加大和減小設(shè)定值，均無效果。接下來，對系統(tǒng)參數(shù)逐一核對，當(dāng)檢查到#2068參數(shù)時，發(fā)現(xiàn)異常，其中，X、Y、Z、B四個軸的設(shè)定值是50，而C、A、U、W的設(shè)定值是0，該參數(shù)是“G00前饋增益”，于是，將X、Y、Z、B的值改為0，再次試驗，負(fù)載電流處于正常范圍，并且沒有報警，將快移速度提高到48m/min，也沒有報警，問題解決。分析原因，應(yīng)該是系統(tǒng)通電調(diào)試時，導(dǎo)入系統(tǒng)的是一套四軸加工中心的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行的10個軸的參數(shù)擴(kuò)充和完善。原來的四個軸的#2068參數(shù)有設(shè)定值，而后擴(kuò)展的幾個軸的#2068參數(shù)都是默認(rèn)值0，使得每組同期控制軸中的二個軸的“G00前饋增益”不一致，導(dǎo)致“過負(fù)載2”報警的發(fā)生。

3. 機(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域

圖10 “過負(fù)載2”報警

該機(jī)床X軸和Z軸均采用同期控制，提高了機(jī)床剛性和穩(wěn)定性，采用搖籃式B軸，上面加裝2個旋轉(zhuǎn)型A、C軸，可實現(xiàn)5軸類多零件加工。同時配備PLC軸刀庫，換刀和選刀速度快，適合高效率加工。目前，該機(jī)床已應(yīng)用于汽車等行業(yè)的零部件高效高精加工。機(jī)床主要結(jié)構(gòu)及典型加工件如圖11、圖12所示。

圖11 搖籃式擺動軸和雙轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)

圖12 加工的典型汽車零部件

4. 結(jié)語

車銑復(fù)合加工中心，以其緊湊、高效及高精度的復(fù)合加工方式，受到加工行業(yè)的歡迎。隨著我國制造業(yè)水平的快速發(fā)展，以及對加工制造業(yè)越來越高的品質(zhì)需求，車銑復(fù)合加工中心也一定會得到越來越廣泛的普及和應(yīng)用。