沈鉆科

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇常州 213000）

0 引言

在數(shù)控車床維修改造中遇到機(jī)床功能面板按鍵使用不當(dāng)、造成損壞、機(jī)床無法使用等情況時，更換系統(tǒng)原功能面板代價過于昂貴。為節(jié)約維修成本，使用國內(nèi)廠家生產(chǎn)的功能面板能實(shí)現(xiàn)原功能面板的效果，但更換硬件后控制機(jī)床功能的梯形圖也需要根據(jù)硬件進(jìn)行修改。本次設(shè)計以回參考點(diǎn)按鍵功能失效，更換硬件為例，設(shè)計改進(jìn)數(shù)控機(jī)床回參考點(diǎn)梯形圖程序。

1 回參考點(diǎn)原理

數(shù)控機(jī)床參考點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)用于測量機(jī)床進(jìn)給軸實(shí)際移動距離的基準(zhǔn)位置點(diǎn)[1]。當(dāng)數(shù)控車床的位置反饋元件使用增量式的旋轉(zhuǎn)編碼器或者增量式的光柵尺時，數(shù)控車床在接通電源剛開機(jī)時，無法確定當(dāng)前位置在機(jī)床坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)位置，所以必須經(jīng)過回參考點(diǎn)的運(yùn)動，使機(jī)床到達(dá)參考點(diǎn)，從而確定機(jī)床原點(diǎn)，即刀架返回參考點(diǎn)的運(yùn)動過程[2]。只有機(jī)床參考點(diǎn)被確認(rèn)后，機(jī)床的進(jìn)給軸移動才有基準(zhǔn)。

數(shù)控機(jī)床由于伺服系統(tǒng)類型不同，參考點(diǎn)的動作、細(xì)節(jié)有所不同，主要可以分兩種類型，一類是閉環(huán)或半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床運(yùn)用的柵格回參考點(diǎn)法，另外一類是開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床運(yùn)用的磁開關(guān)回參考點(diǎn)法[3]。

CKA6150數(shù)控車床（采用FUNUC Oi-TF系統(tǒng)）系統(tǒng)類型為半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)，采用增量式伺服電機(jī)，其測量元件是增量式脈沖編碼器。采用柵格回參考點(diǎn)的方法，通常也被稱作有擋塊回零[4]，機(jī)床在斷電后第一次開機(jī)時，無法確定各軸當(dāng)前位置在機(jī)床坐標(biāo)系中的實(shí)際位置，因此每次開機(jī)時都需要進(jìn)行回參考點(diǎn)的操作。

下面以CKA6150數(shù)控車床（采用FUNUC Oi-TF系統(tǒng)）為例，簡要敘述回參考點(diǎn)的原理和過程，如圖1所示。

圖1 參考點(diǎn)返回時序圖（擋塊方式）

（1）在數(shù)控機(jī)床操作面板上找到回零（回考點(diǎn)）工作方式，將旋鈕開關(guān)旋轉(zhuǎn)至回零工作方式，然后選中并按下機(jī)床設(shè)置的伺服軸回零方向按鍵，使伺服軸按照系統(tǒng)設(shè)置好的速度移動至參考點(diǎn)。

（2）當(dāng)接近參考點(diǎn)時，隨工作臺一起運(yùn)動的減速檔塊壓下參考點(diǎn)開關(guān)觸頭，使減速信號（*DEC1、*DEC2、*DEC3之一）由通（ON）轉(zhuǎn)為斷（OFF）狀態(tài)[5]，機(jī)床工作臺會立即減速并按參數(shù)設(shè)定的速度繼續(xù)運(yùn)動。減速讓運(yùn)動部件的移動慣量變小，直至準(zhǔn)確地停留在參考點(diǎn)位置上。當(dāng)機(jī)床上所有的進(jìn)給軸都完成這一過程后，那么機(jī)床即完成了回參考點(diǎn)的運(yùn)動過程。

機(jī)床操作過程中，只要不改變滾珠絲杠與脈沖編碼器之間的相對位置或不調(diào)整參考點(diǎn)檔塊已經(jīng)校定的位置，柵格信號就會以很高的重復(fù)精度出現(xiàn)。

2 回參考點(diǎn)功能程序設(shè)計

下面以CKA6150數(shù)控車床（采用FUNUC Oi-TF系統(tǒng)）為例，介紹PMC程序的設(shè)計。

2.1 回參考點(diǎn)單鍵自鎖程序

圖2 所示為設(shè)計回參考點(diǎn)按鍵單鍵自鎖功能的PMC 控制程序。解讀單鍵自鎖程序功能如下。

（1）PMC 程序第一周期掃描執(zhí)行過程，按下回零工作方式按鍵，程序第二行輸入信號常開觸點(diǎn)X7.5 閉合得電時，R101.1 線圈得電，PMC程序中所有R101.1 常開觸點(diǎn)閉合；按照PMC程序執(zhí)行的原則，第三行R101.1常開觸點(diǎn)閉合，通過R101.0 的常閉導(dǎo)通信號R101.2 線圈，R101.2 線圈得電，第四行R101.2 常開觸點(diǎn)閉合，通過R101.3 的常閉觸點(diǎn)，導(dǎo)通R101.3 線圈，R101.3 線圈得電，R101.3 常閉觸點(diǎn)斷開，同時R101.3 常開觸點(diǎn)閉合，這時梯形圖根據(jù)從上至下逐行執(zhí)行的原則，R101.3 常閉觸點(diǎn)有變化，第一周期執(zhí)行過程結(jié)束，不會使R101.3線圈產(chǎn)生變化。本段PMC程序R101.3線圈為最后一節(jié)內(nèi)容，執(zhí)行完畢。

（2）PMC 程序第二周期掃描執(zhí)行過程，PMC 程序在第一周期掃描執(zhí)行過程中R101.1 常開觸點(diǎn)已經(jīng)閉合，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行第二次掃描程序時，R101.0 線圈得電，程序第三行R101.0 常閉觸點(diǎn)斷開，使得R101.2 線圈失電，這時候務(wù)必注意數(shù)控機(jī)床PMC程序執(zhí)行速度為毫秒單位，因此操作者是否此時松開回零工作方式按鍵，使常開觸點(diǎn)X7.5 產(chǎn)生變化，都不會對R101.2 線圈產(chǎn)生影響；第四行R101.2 常開觸點(diǎn)復(fù)位，R101.2常閉觸點(diǎn)復(fù)位，這時由于第一周期時R101.3 線圈得電，R101.3 常閉觸點(diǎn)斷開，R101.3 常開觸點(diǎn)閉合，最終R101.3 線圈實(shí)現(xiàn)自鎖。本段PMC程序設(shè)計最終實(shí)現(xiàn)功能按一次按鍵當(dāng)前功能保持，再按一次按鍵功能關(guān)閉。

圖2 回參考點(diǎn)單鍵自鎖方式選擇功能

2.2 工作方式選擇程序

圖3～4所示為根據(jù)CKA6150數(shù)控車床設(shè)計方式選擇功能的PMC控制程序。解讀方式選擇程序功能為：下面兩段PMC程序不受期掃描周期影響其執(zhí)行過程，圖2 通過輸入信號X1.2、X1.3、X1.4 常開和常閉觸點(diǎn)組合可實(shí)現(xiàn)分別導(dǎo)通手動R100.0、自動R100.1、手動編輯（MDI）R100.2、存儲器編輯R100.3、手搖R100.4五個信號[5]，輸入信號X1.2、X1.3、X1.4通過相互之間地通過硬件結(jié)構(gòu)上，先后接觸導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)上面5種信號不能同時得電。

圖3 方式選擇撥扭信號

如圖4 所示，R 信號線圈得電后，導(dǎo)通G 信號（G0043.3～G0043.3，G0043.5，G0043.7）到CNC，數(shù)控系統(tǒng)工作方式的功能實(shí)現(xiàn)最終是將FANUC定義的方式功能G信號導(dǎo)通。G信號方式選擇組合信號如表1所示。

圖4 方式選擇信號

表1 方式選擇信號

2.3 進(jìn)給軸正負(fù)方向選擇

圖5 所示為根據(jù)CKA6150 數(shù)控車床設(shè)計進(jìn)給軸正負(fù)方向選擇功能的PMC 控制程序，解讀進(jìn)給軸正負(fù)方向選擇功能：本段PMC程序不受期掃描周期影響其執(zhí)行過程，坐標(biāo)軸方向按鍵輸入信號X0.5、X1.0、X1.1、X0.6 常開和常閉觸點(diǎn)互鎖組合可實(shí)現(xiàn)分別導(dǎo)通進(jìn)給軸方向信號G100.0、G100.1、G102.0、G102.1，以及按鍵指示燈信號Y0.5、Y1.0、Y1.1、Y0.6。

綜上所述，通過3 段PMC 程序功能，最終實(shí)現(xiàn)了CKA6150 數(shù)控車床進(jìn)給軸回參考點(diǎn)的功能，達(dá)到了程序設(shè)計要求。

圖5 回參考點(diǎn)方向選擇PMC程序

3 回參考點(diǎn)程序改進(jìn)設(shè)計

CKA6150 數(shù)控車床回參考點(diǎn)功能程序在后期實(shí)際運(yùn)行調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床開機(jī)回零后，操作人員必須全程按住機(jī)床操作面板上的方向鍵，手一松開方向按鍵，回參考點(diǎn)功能無法完成，操作步驟比較繁瑣。針對以上PMC程序進(jìn)行功能二次開發(fā)，在不改變大功能的結(jié)構(gòu)下，單獨(dú)對回參考點(diǎn)方向的選擇程序進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)要求能達(dá)到按下回參考點(diǎn)方向鍵，手松開后機(jī)床仍能自動返回參考點(diǎn)的功能。

圖6 所示為優(yōu)化設(shè)計后的PMC 程序。在程序設(shè)計中，使用平時會被編程設(shè)計人員忽視的F信號。F信號是由CNC內(nèi)部發(fā)出傳送到PMC的信號，該種信號由CNC廠家設(shè)定，PMC編程人員只可使用不可更改，查閱資料PMC信號指令表中有回零結(jié)束信號 F94.0、F94.1、F94.2、F94.3 的功能[6]。F94.0 為X+回零結(jié)束信號；F94.1 為Z+回零結(jié)束信號，其對應(yīng)的G 信號分別為G100.0 和G100.1；F4.5 為手動回零方式確認(rèn)信號，查閱資料PMC功能指令表中有置位（S）和復(fù)位（F）功能指令，本次設(shè)計將運(yùn)用以上指令。

圖6 回參考點(diǎn)方向選擇改進(jìn)PMC程序

解讀回零功能：本段PMC程序不受期掃描周期影響其執(zhí)行過程，當(dāng)回零信號選通時按下X+，則X0.5導(dǎo)通R150.0置位線圈，使R150.0 保持得電在手動方式下（R100.0 得電）保持G100.0得電。當(dāng)機(jī)床X軸回到零位時，F(xiàn)94.0的常開導(dǎo)通，復(fù)位 R150.0 線圈得電使 G100.0 失電 X 軸回零結(jié)束。Z 軸與 X 軸原理相同，此種方法避免了機(jī)床在使用過程中出現(xiàn)報警后，無法二次回零的問題，結(jié)構(gòu)簡單明了，實(shí)現(xiàn)了CKA6150 數(shù)控車床進(jìn)給軸回參考點(diǎn)的功能，達(dá)到了程序設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文數(shù)控系統(tǒng)回參考點(diǎn)程序的設(shè)計及改進(jìn)，解決了數(shù)控機(jī)床在維修更換硬件后，原有梯形圖程序和硬件不匹配，數(shù)控系統(tǒng)無法正常工作的問題。在原梯形圖的基礎(chǔ)上，將機(jī)床回參考點(diǎn)功能進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了按下回參考點(diǎn)按鈕，數(shù)控機(jī)床能自動回參考點(diǎn)的功能，提高了機(jī)床及操作人員的工作效率，使數(shù)控車床功能顯得現(xiàn)代化，滿足了現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的實(shí)際需求。