吳天馳,劉本剛,2,金光云

(1.航空工業(yè)沈飛數(shù)控加工廠，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

某型進(jìn)口三坐標(biāo)立式銑床，原裝系統(tǒng)為GE FANUC15MBE數(shù)控系統(tǒng)。由于機(jī)床電氣系統(tǒng)老化問(wèn)題嚴(yán)重，機(jī)床完好率和加工精度不斷下降，無(wú)法滿足高精度、高效率和信息化管控的生產(chǎn)要求。同時(shí)，原裝系統(tǒng)已停產(chǎn)，備件采購(gòu)困難。因此，在分析機(jī)床實(shí)際工況的基礎(chǔ)上，從提高機(jī)床加工精度和穩(wěn)定性、降低維修成本等方面考慮，采用國(guó)產(chǎn)高精藍(lán)天GJ330數(shù)控系統(tǒng)替換原裝進(jìn)口系統(tǒng)。本文在介紹高精藍(lán)天GJ330數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)和功能的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了機(jī)床改造過(guò)程中數(shù)控系統(tǒng)的主要調(diào)試步驟、參數(shù)整定注意事項(xiàng)和基于系統(tǒng)嵌入式PLC設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)安全自動(dòng)松、夾刀功能的邏輯方法，最后結(jié)合機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)機(jī)械特性，解決了螺距補(bǔ)償功能，改善了機(jī)床零件的加工精度和一致性，提高了機(jī)床輔助功能的自動(dòng)化水平和加工效率。

1 高精藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)

GJ330是一款通用性強(qiáng)、配置靈活的國(guó)產(chǎn)中高檔數(shù)控系統(tǒng)，具有以下多種特性：標(biāo)準(zhǔn)配置6軸4聯(lián)動(dòng)，可擴(kuò)展最多支持10軸，實(shí)現(xiàn)6軸聯(lián)動(dòng)；支持總線式伺服驅(qū)動(dòng)單元，配套12英寸彩色液晶顯示屏；采用100 Mb/s傳輸速率的SSB3高速同步串行通訊總線，PLC基本指令處理時(shí)間為1 μs/step，具有雙向螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度和半徑補(bǔ)償功能[1]。

2 數(shù)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方案

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與總線連接

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工需求，結(jié)合機(jī)床當(dāng)前機(jī)械特性和電氣性能，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，數(shù)控系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化改造方案具體采用GJ330數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但保留機(jī)床原主軸和各進(jìn)給軸伺服電機(jī)。圖1為GJ330數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)和總線連接示意圖。數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間基于SSB3高速同步串行通訊總線通信，基于數(shù)控系統(tǒng)自帶的PLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床全數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制和外圍輔助功能自動(dòng)控制，提高了機(jī)床的自動(dòng)化控制水平。

圖1 GJ330數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)和總線連接示意圖

2.2 參數(shù)設(shè)定

數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的重要過(guò)程，包括驅(qū)動(dòng)器參數(shù)和機(jī)床參數(shù)。其中驅(qū)動(dòng)器參數(shù)直接決定機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性和加工精度，參數(shù)整定值由機(jī)械特性和加工工況決定。機(jī)床參數(shù)影響機(jī)床的基礎(chǔ)功能、加工狀態(tài)顯示、操作習(xí)慣、測(cè)量系統(tǒng)等，其參數(shù)設(shè)定值由機(jī)床硬件配置和加工需求決定。具體參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程如下。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)定

根據(jù)所選電機(jī)的類型和驅(qū)動(dòng)器型號(hào)，以及對(duì)機(jī)床的平滑運(yùn)行和高速定位等要求設(shè)定相關(guān)參數(shù)。其中，進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)(型號(hào)為GJS-075BDA)參數(shù)設(shè)定的主要目的是匹配電機(jī)和負(fù)載，在滿足機(jī)床平穩(wěn)運(yùn)行的情況下，盡量提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。如PN00控制方式的選擇，通過(guò)位置脈沖指令對(duì)機(jī)床進(jìn)行位置控制。以X軸為例，PN05和PN06分別定義為速度環(huán)比例增益參數(shù)和速度環(huán)積分增益參數(shù)，適當(dāng)增大這兩個(gè)參數(shù)，能夠進(jìn)行響應(yīng)特性更高的速度控制，但是受機(jī)械特性的制約，參數(shù)過(guò)大會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)或電機(jī)噪聲；PN15為位置環(huán)比例增益參數(shù)，這個(gè)值越大，位置控制的響應(yīng)特性越高、偏差值越小，但是受到機(jī)械特性的制約，應(yīng)在滿足運(yùn)行穩(wěn)定的前提下增大這個(gè)數(shù)值；PN22為位置誤差限定范圍，該參數(shù)用來(lái)設(shè)定檢查位置超差報(bào)警(ER12)的脈沖計(jì)數(shù)范圍，該值設(shè)定過(guò)小，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易出現(xiàn)位置超差報(bào)警(ER12)，該值設(shè)置過(guò)大就失去了位置誤差檢測(cè)的意義。

驅(qū)動(dòng)參數(shù)直接決定各運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)特性，而且與機(jī)械特性和負(fù)載相關(guān)，因此該參數(shù)的設(shè)定值通常是通過(guò)分析實(shí)際運(yùn)動(dòng)響應(yīng)并反復(fù)優(yōu)化而確定的滿足加工需求的合理值[2]?；阝伜辖鸺庸ば阅芤螅摍C(jī)床經(jīng)過(guò)多輪參數(shù)優(yōu)化后，各軸的驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 部分驅(qū)動(dòng)參數(shù)整定值

2.2.2 機(jī)床參數(shù)設(shè)定

GJ330數(shù)控系統(tǒng)允許用戶配置基礎(chǔ)參數(shù)、常規(guī)參數(shù)、機(jī)床參數(shù)、主軸參數(shù)和用戶參數(shù)等，正確配置這些參數(shù)是機(jī)床正常加工的前提，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)廠提供的技術(shù)說(shuō)明書(shū)，結(jié)合機(jī)床實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。部分重要參數(shù)設(shè)置過(guò)程如下：

(1)機(jī)床包含X、Y、Z三個(gè)插補(bǔ)軸，參數(shù)0100(CNC軸數(shù)量)設(shè)置為3，參數(shù)0101(CNC控制軸名稱)設(shè)置為XYZ。

(2)機(jī)床各軸的回零撞塊位于各軸的正向末端，采用增量式光柵尺，參數(shù)0227(回零方向)設(shè)為1(正向)，參數(shù)0109(手動(dòng)回零模式)設(shè)為1(每次開(kāi)機(jī)要重新回零)，參數(shù)0132(手動(dòng)回零方式)設(shè)為0(開(kāi)關(guān)+MARK)，參數(shù)0216(位置反饋編碼器類型)設(shè)為1(增量式位置傳感器)。

(3)參數(shù)0202是定義軸類型的參數(shù)，共8位，各位置1有效，機(jī)床進(jìn)給軸的類型是“具有螺距補(bǔ)償，使用直線編程的線性坐標(biāo)軸”，則各位定義及設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)0202各位定義及設(shè)置

3 PLC功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

由于原數(shù)控系統(tǒng)PLC的輸入輸出模塊接口數(shù)量有限而且擴(kuò)展困難，大部分機(jī)床外圍輔助功能的控制通常由外部單獨(dú)的邏輯模塊實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致PLC系統(tǒng)無(wú)法獲取外圍設(shè)備的底層數(shù)據(jù)和故障信息，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)無(wú)法支持機(jī)床進(jìn)行快速診斷和故障定位。為提高機(jī)床的自動(dòng)化水平和可靠性，基于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)自帶的PLC功能實(shí)現(xiàn)外圍輔助功能的自動(dòng)控制具有必要性。藍(lán)天GJ330數(shù)控系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)具有豐富的輸入輸出接口、完善的邏輯指令以及信息顯示、在線監(jiān)控等功能，為原機(jī)床外部輔助功能邏輯完善和人機(jī)交互性能的提高提供了有利平臺(tái)。

以機(jī)床的抓刀/松刀控制邏輯的設(shè)計(jì)與完善過(guò)程為例，本文提出了基于安全的松刀邏輯控制策略，當(dāng)PLC系統(tǒng)接收到松刀指令后，確認(rèn)機(jī)床已上電并且無(wú)急停等報(bào)警信號(hào)，當(dāng)前工作模式是手動(dòng)模式，并監(jiān)視主軸當(dāng)前沒(méi)有運(yùn)動(dòng)指令且停止信號(hào)已到達(dá)，此時(shí)打開(kāi)松刀閥并啟動(dòng)液壓站工作，直到松刀到位信號(hào)到達(dá)，則關(guān)閉松刀閥和液壓站。上述松刀執(zhí)行過(guò)程中，若PLC系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到任何異常信號(hào)或機(jī)床復(fù)位信號(hào)都將終止松刀動(dòng)作，同時(shí)發(fā)出相關(guān)提示信息或故障信息。基于高精GJ330系統(tǒng)設(shè)計(jì)的抓刀/松刀的部分邏輯如圖2所示。其中的“機(jī)床復(fù)位信號(hào)”和“機(jī)床下電信號(hào)”，避免松刀電磁閥因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間通電而損壞。該邏輯設(shè)計(jì)策略不但提高了機(jī)床松刀過(guò)程的安全可靠性和自動(dòng)化水平，還針對(duì)典型頻繁故障增加了人機(jī)交互式接口信息，便于機(jī)床維護(hù)[3]。

圖2 自動(dòng)抓刀/松刀邏輯設(shè)計(jì)圖

4 機(jī)床的螺距誤差補(bǔ)償

高精GJ330系統(tǒng)的螺距補(bǔ)償功能是根據(jù)機(jī)床各軸的行程，按照遞增的順序設(shè)定指定定位點(diǎn)對(duì)各軸進(jìn)行雙向螺距補(bǔ)償，且依據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況選取補(bǔ)償間隔，可以選用不等間距。本機(jī)床已經(jīng)交付使用達(dá)22年之久，由于進(jìn)給軸在中間位置的磨損較邊緣位置的磨損更加嚴(yán)重，致使光柵尺在中間位置的精度較其他位置的精度低，因此，選擇補(bǔ)償間隔時(shí)在機(jī)床各軸的邊緣位置取點(diǎn)間隔較大，在磨損較大的中間行程位置所取的補(bǔ)償間隔較小。以X軸為例，機(jī)床全程共2 800 mm，在-2 800～-2 200以及-600～0行程的補(bǔ)償間隔為200 mm，在-2 200～-600行程的補(bǔ)償間隔為50 mm，這樣既保證了補(bǔ)償精度又可以有效提高補(bǔ)償工作效率。

對(duì)機(jī)床進(jìn)行螺距補(bǔ)償后要對(duì)機(jī)床的實(shí)際定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)，為保證檢測(cè)精度的嚴(yán)謹(jǐn)，在選取測(cè)量間隔時(shí)應(yīng)盡量區(qū)別于螺距補(bǔ)償間隔，即避免補(bǔ)償點(diǎn)坐標(biāo)和檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)重復(fù)點(diǎn)過(guò)多，表3展示了機(jī)床各軸在改造前后的關(guān)鍵精度數(shù)據(jù)，可以看到機(jī)床各軸的精度顯著提高。

表3 螺距補(bǔ)償表

5 結(jié)論

經(jīng)NAS標(biāo)準(zhǔn)件試切合格后，國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)替換后的機(jī)床已投入飛機(jī)結(jié)構(gòu)件正式加工中。實(shí)踐證明：改造后的機(jī)床操作方便，性能穩(wěn)定，機(jī)床加工精度滿足航空結(jié)構(gòu)件的加工需求。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)具有更豐富的數(shù)據(jù)接口，不但提高了人機(jī)交互性和自動(dòng)化水平，而且解決了機(jī)床與數(shù)字化車間的聯(lián)網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控，此次改造升級(jí)的成功，為今后老舊系統(tǒng)機(jī)床的升級(jí)改造提供了另一種經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的選擇，具有一定的借鑒意義。