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摘要 本文簡(jiǎn)要闡述FANUC-0iMC系統(tǒng)在立式銑床技術(shù)改造中的應(yīng)用，完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)整，使該數(shù)控機(jī)床達(dá)到了較高的控制性能。通過(guò)功能調(diào)整和誤差補(bǔ)償達(dá)到了較高的定位精度,將舊機(jī)床升級(jí)改造成具有現(xiàn)代技術(shù)水平的數(shù)控機(jī)床。
關(guān)鍵詞: FANUC-0iMC數(shù)控系統(tǒng) PMC控制軟件編程 交流伺服進(jìn)給系統(tǒng) 閉環(huán)控制
1. 前言：
FB3立式數(shù)控仿型銑床是由意大利奧利康機(jī)床廠制造，原數(shù)控系統(tǒng)采用飛迪亞10系統(tǒng)，PLC采用西門子S5 115U，進(jìn)給系統(tǒng)采用美國(guó)生產(chǎn)的有環(huán)流直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)四個(gè)進(jìn)給軸直流電機(jī)，主軸采用西門子650交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及交流電機(jī)，采用德國(guó)海德漢直線光柵尺作位置檢測(cè)。該立式數(shù)控仿型銑床自91年投產(chǎn)以來(lái)原數(shù)控電氣控制系統(tǒng)元器件不穩(wěn)定，2006年對(duì)該機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行全面的技術(shù)改造。選用FANUC 0iMC數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)/手動(dòng)操作等功能，選用手持單元可快速對(duì)刀。由四套αi系列FANUC交流伺服系統(tǒng)及交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)各進(jìn)給軸，保留西門子650主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及主軸電機(jī)，保留原德國(guó)海德漢直線光柵尺作三個(gè)直線坐標(biāo)軸全閉環(huán)的位置檢測(cè)，W軸采用半閉環(huán)控制，重新配制電氣控制柜，編制PMC電氣邏輯控制程序，匹配調(diào)整機(jī)床參數(shù)，完成數(shù)控電氣控制系統(tǒng)的整體連接調(diào)試。
2. FB3數(shù)控仿型銑床數(shù)控改造的設(shè)計(jì)與調(diào)試
2.1 FANUC 0i-MC數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的整體結(jié)構(gòu)
FANUC 0i-MC數(shù)控系統(tǒng)將微處理器、存儲(chǔ)器、硬件模塊等形成特定的功能單元，連同相應(yīng)模塊結(jié)構(gòu)的軟件一起構(gòu)成功能模塊。
主CPU模塊：它是 0i-MC 數(shù)控系統(tǒng)的核心，整個(gè)系統(tǒng)的控制、信號(hào)處理和信息交換均由它實(shí)現(xiàn),它可以管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)的功能，如系統(tǒng)ROM的初始化引導(dǎo)、中斷管理、系統(tǒng)出錯(cuò)識(shí)別和處理系統(tǒng)軟硬件的診斷功能等。操作和控制數(shù)據(jù)輸入輸出的CRT顯示子模塊：用于零件程序、參數(shù)數(shù)據(jù)、各種操作命令的輸入輸出、顯示各種接口電路信號(hào)的狀態(tài)，顯示圖型等。主軸控制子模塊、伺服軸控制子模塊可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)軸進(jìn)給和一個(gè)串行主軸或一個(gè)模擬主軸的伺服驅(qū)動(dòng)。PMC控制子模塊，內(nèi)置PMC-SB7，可通過(guò)I/O LINK 接口連接PMC的輸入輸出部分，經(jīng)PMC軟件程序掃描處理與NC接口信號(hào)交換信息狀態(tài)。DRAM/SRAM/FROM存儲(chǔ)器子模塊：用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。全部零件加工程序和系統(tǒng)的工作參數(shù)存放在有后備電池的CMOS RAM 中。主CPU模塊的整個(gè)接口連接包括CRT、MDI、軟鍵、風(fēng)扇、電池、RS-232C、MPG、I/O LINK（JD1A）、連接伺服單元的FSSB光纜接口、JA40模擬主軸、串行主軸/編碼器、電源輸入輸出等。存儲(chǔ)卡插槽用于連接存儲(chǔ)卡，可對(duì)參數(shù)、程序、梯形圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入/輸出操作，也可進(jìn)行DNC加工。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床操作面板，用I/O LINK 接口擴(kuò)展96輸入/64輸出單元時(shí)，要在PMC軟件上進(jìn)行地址分配。在全閉環(huán)伺服控制中，用光纜擴(kuò)展分離型接口板M1可接四個(gè)軸的位置反饋，需匹配設(shè)定一系列機(jī)床參數(shù)。
2.2 FB3立式數(shù)控仿型銑床的PMC可編程序控制器
FANUC 0i-MC配有內(nèi)裝型PMC-SB7，在CRT上可以動(dòng)態(tài)顯示PMC程序并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)， PMC程序是根據(jù)機(jī)床控制和順序流程的要求，按照一定的邏輯關(guān)系由這些地址和功能指令組合而成。在PMC程序編輯時(shí)，可以在安裝有FLadderⅢ 編程軟件的計(jì)算機(jī)上編制PMC程序，用RS232接口與0i-MC串口聯(lián)接，將存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的PMC順序程序傳送至0i-MC SRAM存儲(chǔ)器中，操作機(jī)床調(diào)試各軸的移動(dòng)功能，緊急停止和限位保護(hù)功能，主軸機(jī)械換檔功能，主軸箱平衡壓力和潤(rùn)滑功能，輔助電機(jī)電器控制功能，操作面板控制功能等，在編程機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)的顯示器上觀看PMC控制信號(hào)的現(xiàn)行狀態(tài)和邏輯結(jié)果，檢查伺服系統(tǒng)控制接口信號(hào)的邏輯關(guān)系正確否。
2.3. 控制系統(tǒng)的連接和調(diào)試
電氣部分有5個(gè)輔助三相電機(jī)，有幾十個(gè)信號(hào)采集元件，操作臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床面板，有模擬主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和四套進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的接口控制信號(hào)等需要控制。完成電氣原理圖的設(shè)計(jì)，包括電氣系統(tǒng)供電、急停限位保護(hù)、三相電機(jī)保護(hù)與控制；通過(guò)PMC采集元件信號(hào)、采集伺服接口控制信號(hào)等。
2.3.1 控制系統(tǒng)的連接
FANUC 0iMC數(shù)控系統(tǒng)輸入電壓為+24V，伺服系統(tǒng)輸入電壓為AC200V(不是220V)。這兩個(gè)電源的通電及斷電是有要求的，原則上是在0i的控制之下通斷電。FANUC 0i系統(tǒng)的伺服控制可任意使用半閉環(huán)或全閉環(huán)，只需改變閉環(huán)型式參數(shù)和改變接線，非常簡(jiǎn)單。主軸驅(qū)動(dòng)指令有兩種接口:模擬(-10V到+10V)和數(shù)值(串行傳送)輸出。PMC的I/O有擴(kuò)展I/O電路板，有些CNC接口固定地址信號(hào)通過(guò)PMC由數(shù)控系統(tǒng)直接采集，如參考點(diǎn)減速和急停信號(hào)；外部I/O擴(kuò)展模塊通過(guò)I/O LINK現(xiàn)場(chǎng)總線電纜與數(shù)控系統(tǒng)連接，I/O擴(kuò)展模塊在使用前需首先設(shè)定地址范圍。按照FANUC 0iMC系統(tǒng)硬件連接說(shuō)明書和設(shè)計(jì)的電氣原理圖進(jìn)行控制系統(tǒng)的連接，連好后認(rèn)真檢查，特別要檢查供電電源和強(qiáng)電部分防止對(duì)地短路。
2.3.2 控制系統(tǒng)的調(diào)試
調(diào)試步驟一: 控制系統(tǒng)的通電。
先拔掉CNC系統(tǒng)和伺服單元的保險(xiǎn),給機(jī)床通電。如無(wú)故障,裝上保險(xiǎn),給機(jī)床和系統(tǒng)通電。先對(duì)數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行初始化建立系統(tǒng),此時(shí),系統(tǒng)還會(huì)有#401等多種報(bào)警。這是因?yàn)橄到y(tǒng)尚未輸入?yún)?shù),伺服和主軸控制尚未初始化。
調(diào)試步驟二:設(shè)定系統(tǒng)的機(jī)床參數(shù)。
(1)設(shè)定系統(tǒng)功能參數(shù)，建立系統(tǒng)正常運(yùn)行。這些系統(tǒng)參數(shù)是訂貨時(shí)用戶選擇的功能，機(jī)床調(diào)試后將功能表交給用戶。
(2)設(shè)定伺服參數(shù)，0i系統(tǒng)#1001到#1852的有關(guān)參數(shù)，包括位置增益,G00速度、F的允許值、最大允許跟隨誤差、粗停精停范圍、加減速時(shí)間常數(shù)等,參數(shù)設(shè)定不當(dāng),會(huì)產(chǎn)生#4*7報(bào)警。
(3) 設(shè)定主軸控制參數(shù),設(shè)定各檔最高速度、換檔方法、主軸模擬量輸出參數(shù)、模擬主軸零漂補(bǔ)償參數(shù)等。
(4)按照“參數(shù)手冊(cè)”設(shè)定系統(tǒng)和機(jī)床的其它有關(guān)參數(shù)。調(diào)整幾百個(gè)機(jī)床參數(shù)，使機(jī)床具有優(yōu)良的性能。
上述參數(shù)設(shè)定好后應(yīng)關(guān)機(jī),重新開機(jī)啟動(dòng)。此時(shí)仍有#408或#750等報(bào)警,這是因?yàn)樯形淳幹芇LC程序,CNC與PLC的接口信號(hào)沒有滿足條件。
調(diào)試步驟三:編PLC梯形圖程序，調(diào)試機(jī)床。
可以在CNC系統(tǒng)上現(xiàn)場(chǎng)編制梯形圖，也可以把編程軟件裝入PC機(jī)，編好后傳入CNC的RAM中，切記要把梯形圖存入F-ROM，否則關(guān)機(jī)后梯形圖會(huì)丟失。梯形圖最重要的注意點(diǎn)是一個(gè)信號(hào)的持續(xù)(有效)時(shí)間和各信號(hào)的時(shí)序及信號(hào)的互鎖關(guān)系。在FANUC系統(tǒng)的連接說(shuō)明書(功能)中對(duì)各控制功能的信號(hào)都有詳細(xì)的時(shí)序圖,調(diào)機(jī)時(shí)如發(fā)現(xiàn)某一功能不執(zhí)行,應(yīng)首先檢查接線然后檢查梯形圖。
調(diào)試機(jī)床實(shí)際上是把CNC的I/O控制信號(hào)與強(qiáng)電柜的繼電器、開關(guān)、閥等輸入/輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)起來(lái),實(shí)現(xiàn)機(jī)床所需的動(dòng)作與功能。CNC系統(tǒng)提供PLC信號(hào)和梯形圖的診斷畫面,可以看到各信號(hào)的當(dāng)前狀態(tài)和邏輯關(guān)系。
2.3.3 機(jī)床通電調(diào)試過(guò)程
按CNC電源通電按扭，接通CNC電源，觀察顯示屏，直到出現(xiàn)正常畫面為止。將狀態(tài)開關(guān)置于MDI狀態(tài)，選擇到參數(shù)頁(yè)面，匹配調(diào)整機(jī)床參數(shù)。將狀態(tài)選擇開關(guān)放置在JOG位置，將點(diǎn)動(dòng)速度放在最低檔，分別進(jìn)行各坐標(biāo)正反方向的點(diǎn)動(dòng)操作，同時(shí)用手按與點(diǎn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)的超程保護(hù)開關(guān)，驗(yàn)證其保護(hù)作用的可靠性，然后，再進(jìn)行慢速的超程試驗(yàn)，驗(yàn)證超程撞塊安裝的正確性。將狀態(tài)開關(guān)置于REF回參考點(diǎn)方式，參考點(diǎn)返回設(shè)為反向找零，沒完成回零操作就不能自動(dòng)運(yùn)行。進(jìn)行手動(dòng)導(dǎo)軌潤(rùn)滑試驗(yàn)，使導(dǎo)軌有良好的潤(rùn)滑。逐漸變化快移超調(diào)開關(guān)和進(jìn)給倍率開關(guān)，隨意點(diǎn)動(dòng)各軸移動(dòng)，觀察速度變化的正確性。
2.3.4 功能試車
測(cè)量主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速 將機(jī)床鎖住開關(guān)放在接通位置，用手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入指令，進(jìn)行主軸任意變檔，變速試驗(yàn)，測(cè)量主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速，并觀察主軸速度顯示值，調(diào)整其誤差應(yīng)限定在5％之內(nèi)?？筛鶕?jù)具體情況對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行試驗(yàn)，以機(jī)床最大行程設(shè)定軟限位。為防止意外情況發(fā)生，最好先將機(jī)床鎖住進(jìn)行試驗(yàn)，然后再放開機(jī)床進(jìn)行試驗(yàn)。
EDIT功能試驗(yàn)：將狀態(tài)選擇開關(guān)置于EDIT位置，自行編制一簡(jiǎn)單程序，盡可能多地包括各種功能指令和輔助功能指令，移動(dòng)尺寸以最大行程為限，同時(shí)進(jìn)行程序的增加，刪除和修改。
自動(dòng)狀態(tài)試驗(yàn)：將機(jī)床鎖住，用編制的程序進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證程序的正確性，然后放開機(jī)床，分別將進(jìn)給倍率開關(guān)，快速超調(diào)開關(guān)，主軸速度超調(diào)開關(guān)進(jìn)行多種變化，使機(jī)床在上述各開關(guān)的多種變化的情況下進(jìn)行充分地運(yùn)行，后將各超調(diào)開關(guān)置于100％處，使機(jī)床充分運(yùn)行，觀察整機(jī)的工作情況是否正常。
為提高機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度，用激光干涉儀測(cè)量三個(gè)直線軸滾珠絲杠的螺距誤差，在數(shù)控系統(tǒng)上進(jìn)行螺距誤差補(bǔ)償，使精度控制在5μ以內(nèi)。
通過(guò)PMC程序，該機(jī)床有如下輔助功能：M00 程序暫停；M01 程序選擇停；M02 程序結(jié)束；M03 主軸正轉(zhuǎn)；M04 主軸反轉(zhuǎn)；M05 主軸停止；M08 冷卻液開；M09 冷卻液關(guān)；M13 主軸正轉(zhuǎn)開冷卻液；M14 主軸反轉(zhuǎn)開冷卻液；M21 X軸鏡像；M22 Y軸鏡像；M23 X軸鏡像取消；M24 Y軸鏡像取消；M30 程序結(jié)束返回程序頭；M60 轉(zhuǎn)頭夾緊；M61 轉(zhuǎn)頭放松；M98 調(diào)用子程序；M99 返回子程序。
綜上所述,調(diào)試機(jī)床有三個(gè)基本方面:接線、編制梯形圖和設(shè)置機(jī)床參數(shù)。調(diào)試中出現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)從這三個(gè)方面著手處理,不要輕易懷疑系統(tǒng),還應(yīng)深入了解機(jī)床的控制原理和工藝操作過(guò)程,不斷的積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn),提高實(shí)際處理問(wèn)題的能力。
3. FANUC數(shù)字式交流伺服參數(shù)的調(diào)整
FANUC 數(shù)控和伺服進(jìn)給系統(tǒng)中的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的反饋控制全部數(shù)字化，在系統(tǒng)連接并通電運(yùn)行后，首先要設(shè)置伺服基本參數(shù)并進(jìn)行初始化設(shè)定和自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整，在全閉環(huán)控制中要先按照半閉環(huán)情況設(shè)定，調(diào)整正常后再設(shè)定全閉環(huán)參數(shù)，重新進(jìn)行調(diào)整。
設(shè)置基本伺服參數(shù)FSSB（FANUC SERIAL SERVO BUS），它是NC與各伺服放大器以及分離型檢測(cè)器之間信號(hào)的高速串行總線，采用標(biāo)準(zhǔn)的光纜串行連接，它們之間的順序分配完全由參數(shù)來(lái)匹配。參數(shù)1023設(shè)定為1、2、3、4；對(duì)應(yīng)光纜接口X、Y、Z、W。參數(shù)1902的位0=0，伺服FSSB參數(shù)自動(dòng)設(shè)定。
伺服系統(tǒng)的初始化調(diào)整如下：
在緊急停止?fàn)顟B(tài)下接通NC，使PWE=1即為參數(shù)寫入允許。
在伺服參數(shù)設(shè)定畫面上修改調(diào)整伺服參數(shù)。伺服參數(shù)設(shè)定畫面方法：按壓SYSTEM SV-PAM鍵，伺服參數(shù)設(shè)定畫面即顯示，否則設(shè)定參數(shù)3111#0（SVS）=1后，關(guān)NC電源后，再開NC電源即可顯示伺服參數(shù)設(shè)定畫面。
初始化位設(shè)0，在參數(shù)設(shè)定畫面上輸入相應(yīng)的參數(shù)值，包括指定電機(jī)代碼(ID)；根據(jù)絲杠螺距和電機(jī)與絲杠間的減速比配置指令倍比CMR和檢測(cè)倍比DMR；設(shè)定柔性減速比(N/M)計(jì)算公式為N/M=進(jìn)給軸移動(dòng)脈沖數(shù)/電機(jī)每轉(zhuǎn)/1000000； AMR設(shè)0；設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)向，111表示電機(jī)正轉(zhuǎn)，-111表示電機(jī)反轉(zhuǎn)；設(shè)定轉(zhuǎn)速反饋脈沖數(shù),固定設(shè)為8192； 設(shè)定位置反饋脈沖數(shù),固定設(shè)為12500；設(shè)定參考計(jì)數(shù)器容量，該值等于電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)給軸的移動(dòng)脈沖數(shù)。用上述參數(shù)對(duì)各軸進(jìn)行設(shè)定后，關(guān)閉系統(tǒng)并重新開機(jī)，完成伺服自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整。
由半閉環(huán)變?yōu)槿]環(huán)時(shí)，修改參數(shù)1815#1=1，手動(dòng)調(diào)整上述參數(shù)。
4. 主軸交流變頻調(diào)速系統(tǒng)SIMODRIVE 650的接口簡(jiǎn)介
主電機(jī)為20kw、380V、 50A、1500RPM，主電路有快速熔斷器，電機(jī)側(cè)通過(guò)交流接觸器連接。有如下一些接口控制信號(hào)：控制使能（64端子），脈沖使能（63端子），裝置過(guò)流故障（109端子），裝置傳感器故障（209端子），裝置準(zhǔn)備好（72端子），主軸換擋振蕩信號(hào)（60端子），主軸二擋信號(hào)（117端子）。通過(guò)整體調(diào)試完成對(duì)主軸電機(jī)調(diào)速的優(yōu)良控制。
5. 結(jié)束語(yǔ)
在技術(shù)改造中，選用FANUC 0i- MC數(shù)控系統(tǒng)和交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)完成了該數(shù)控機(jī)床的技術(shù)改造，選用的FANUC交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)具有寬的調(diào)速范圍﹑優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性和較高的穩(wěn)速精度，并且恒轉(zhuǎn)矩特性保證了電機(jī)在低速定位時(shí)的大扭矩輸出，保證了FB3立式數(shù)控仿型銑床的數(shù)控定位精度，提高了數(shù)控電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，降低了故障率,達(dá)到了預(yù)期效果，為工廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
