數(shù)控車床S3-247控制系統(tǒng)升級改造

左敬飛 魏 瑋 付貴金

（東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司設(shè)備部 湖北襄陽）

東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司于1993年購置1臺S3-247型數(shù)控車床，用于軸類零件的加工。該車床所使用的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 0系統(tǒng)。由于目前數(shù)控系統(tǒng)故障開始增多，且0系統(tǒng)備件已不再生產(chǎn)，為保障設(shè)備的正常運(yùn)行，決定用FANUC 0i-D系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行升級改造。

一、選型

該數(shù)控車床結(jié)構(gòu)見圖1，該數(shù)控車床由兩個移動軸X、Z和主軸構(gòu)成。兩個移動軸由伺服電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動控制，主軸由變頻器加普通電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制。該機(jī)床驅(qū)動系統(tǒng)為α系列放大器和伺服電機(jī)，內(nèi)置L型PMC，輸入輸出單元為IO C7接口板。根據(jù)這些情況，在進(jìn)行控制系統(tǒng)升級時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)選用FANUC 0i-D系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)選用αi系列放大器和伺服電機(jī)，內(nèi)置0i-D型PMC，輸入輸出單元選用0i-D用IO單元（96輸入/64輸出）。

圖1 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)

二、技術(shù)方案

1.工作內(nèi)容

將數(shù)控系統(tǒng)由FANUC 0系統(tǒng)升級為當(dāng)前主流的FANUC 0i-D系統(tǒng)。將驅(qū)動系統(tǒng)由α系列升級為αi系列產(chǎn)品。PMC控制程序升級為0i-D系列，編制PMC程序。編制加工程序。電氣圖紙的繪制和線號的規(guī)范化。線路及低壓電器的更改及整理。

2.主要電氣元部件（表1）

表1 主要電氣元部件

3.PMC程序

PMC程序包括IO硬件的組態(tài)和梯型圖的編制等，其篇幅較長，這里也就不全部列出了，僅對PMC梯形圖編制中的幾個重點(diǎn)進(jìn)行簡述。

（1）刀庫部分。刀庫選用AK31系列全功能數(shù)控轉(zhuǎn)塔刀庫，動作流程：①轉(zhuǎn)塔制動裝置失電，使轉(zhuǎn)塔處于松動狀態(tài)。②通過FANUC系統(tǒng)PMC中的ROT指令可以給出就近轉(zhuǎn)位的旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)位電機(jī)旋轉(zhuǎn)。③檢測目標(biāo)刀位的前一位到達(dá)信號和選通信號（低電平）是否到達(dá)，當(dāng)這兩個信號到達(dá)時(shí)預(yù)分度電磁鐵得電。④預(yù)分度接近開關(guān)信號到達(dá)后，轉(zhuǎn)位電機(jī)停轉(zhuǎn)，延時(shí)50 ms后，轉(zhuǎn)位電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。⑤反靠到位信號到達(dá)后，轉(zhuǎn)位電機(jī)再停轉(zhuǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)塔制動得電，轉(zhuǎn)塔處于鎖緊狀態(tài)。⑥延時(shí)200 ms后，預(yù)分度電磁鐵失電，至此整個刀庫轉(zhuǎn)位動作完成。

刀庫轉(zhuǎn)位部分的PMC程序所用到的一個重要功能指令-SUB6 ROT。圖2為ROT指令的形參示意圖，ROT指令用于轉(zhuǎn)塔刀庫、分度工作臺等需要進(jìn)行轉(zhuǎn)位控制的場合。該指令能夠根據(jù)當(dāng)前位置、目標(biāo)位置結(jié)合形參的實(shí)際設(shè)定值，給出旋轉(zhuǎn)方向和目標(biāo)計(jì)算結(jié)果。各形參的意義解釋如下。

RNO=0轉(zhuǎn)臺的最小位置從0開始，RNO=1轉(zhuǎn)臺的最小位置從1開始；

BYT=0位置數(shù)據(jù)為2位BCD碼，BYT=1位置數(shù)據(jù)為4位BCD碼；

圖2 ROT指令形參示意圖

DIR=0不使用最短路徑轉(zhuǎn)位 (旋轉(zhuǎn)方向僅為正向)，DIR=1使用最短路徑轉(zhuǎn)位；

POS=0計(jì)算目標(biāo)位置，POS=1計(jì)算目標(biāo)位置的前一位；

INC=0計(jì)算位置號，INC=1計(jì)算步數(shù)；

ACT=1執(zhí)行ROT指令。

轉(zhuǎn)臺位置數(shù)地址：指定回轉(zhuǎn)體的位置總數(shù)；

當(dāng)前位置地址：指定當(dāng)前位置的存儲地址；

目標(biāo)位置地址：指定目標(biāo)位置的存儲地址；

計(jì)算結(jié)果輸出地址：指定計(jì)算步數(shù)結(jié)果輸出的地址。

輸出W1=0：正方向旋轉(zhuǎn)；輸出W1=1：負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。

刀庫部分所用到的輸入輸出信號。輸入信號：刀位BCD編碼1、刀位BCD編碼2、刀位BCD編碼4、刀位BCD編碼8、選通位、奇偶校驗(yàn)位、預(yù)分度插銷到位、反靠到位。輸出信號：轉(zhuǎn)塔正轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)塔反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)塔制動、預(yù)分度電磁鐵插銷。

（2）手動、自動方式下的軸移動倍率值。手動、自動方式下的軸移動倍率值使用的接口信號和編程方法是不一樣的。PMC編程中要用到的功能指令是SUB27-CODB和SUB62-NOT。

手動方式下，軸移動倍率的接口信號是G10、G11兩個字節(jié)組成的字，編程方法是使用指令根據(jù)倍率開關(guān)編碼信號得到倍率值表中不同的倍率值(單位為0.01%)，再將倍率值按位取反后的值傳送給G10、G11兩個字節(jié)組成的字。

自動方式下，軸移動倍率的接口信號是G12這一個字節(jié)，編程方法是使用指令根據(jù)倍率開關(guān)編碼信號得到倍率值表中不同的倍率值 (單位為1%)，再將倍率值按位取反后的值傳送給G12這一個字節(jié)。由于篇幅有限，這里就不展開描述了。

（3）急停信號的處理。FANUC 0i-D系統(tǒng)中有兩個最基本的急停信號，分別是X8.4和G8.4，這兩個信號必須都為1，系統(tǒng)才能夠正常運(yùn)行，否則會一直有“急?！眻?bào)錯信息。其中的X8.4是可以直接進(jìn)入到NC的信號，這個信號可以不在PMC中編程，但必須要處于接通的狀態(tài)；G8.4是PMC發(fā)給NC的接口信號，必須在PMC中編程，且要處于接通的狀態(tài)。

（4）軸移動的幾個互鎖控制信號。在位置畫面中的軸名左上角處有個“I”標(biāo)志說明該軸處于被鎖定狀態(tài)，即互鎖條件不滿足，不能移動。這時(shí)應(yīng)主要考慮以下幾個軸鎖信號：①所有軸互鎖信號*IT（G8.0），該信號應(yīng)當(dāng)為1。當(dāng)參數(shù)NO.3003#0為1時(shí)，此信號失效，即軸的移動不受此信號的影響。②各軸互鎖信號*IT1～*IT5（G130.0～G130.4），該信號應(yīng)當(dāng)為 1。當(dāng)參數(shù) NO.3003#2為1時(shí)，此信號失效，即軸的移動不受此信號的影響。③各軸方向互鎖信號，對于M系列來說互鎖信號為+MIT1～+MIT5（G132.0～G132.4）、-MIT1～-MIT5（G134.0～G134.4），對于 T 系列來說互鎖信號為+MIT1（X4.2）、-MIT1（X4.3）、+MIT2（X4.4）、-MIT2（X4.5），該信號應(yīng)當(dāng)為0。當(dāng)參數(shù)NO.3003#3為1時(shí)，此信號失效，即軸的移動不受此信號的影響。

4.系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包含NC軸基本設(shè)定、FSSB設(shè)定、伺服設(shè)定、主軸設(shè)定等。

（1）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的基本步驟。對系統(tǒng)進(jìn)行全清。按下MDI單元的“reset”和“del”兩個按鍵不放，然后對系統(tǒng)進(jìn)行上電可完成對系統(tǒng)的全清。按[SYSTEM]→[+]擴(kuò)展多次→[PRM設(shè)定]進(jìn)入“參數(shù)設(shè)定支援”畫面中，對軸設(shè)定、FSSB（AMP）、FSSB（軸）、伺服設(shè)定、主軸設(shè)定這幾項(xiàng)進(jìn)行設(shè)定。對于多數(shù)一般要求的機(jī)床來說，完成以上這幾項(xiàng)設(shè)定就足夠了；對于較高要求的機(jī)床，或者對于調(diào)試過程中需要進(jìn)行伺服參數(shù)等的情況，還需要對“參數(shù)設(shè)定支援”畫面中的其他項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)定。

（2）注意事項(xiàng)。全清后出現(xiàn)的幾個報(bào)警的處理。全清后屏幕上一般會出現(xiàn)幾個報(bào)警，如硬限位超程、伺服設(shè)定出錯、放大器出錯等。這時(shí)不用擔(dān)心，只要在PLC程序中編輯相應(yīng)的接口信號以及隨后進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)定即可。電機(jī)代碼的設(shè)定。電機(jī)代碼要根據(jù)電機(jī)型號和電機(jī)圖號（即電機(jī)規(guī)格號的中間四位）來進(jìn)行查詢。例如對于伺服電機(jī)A06B-0253-B401（αiF 30/3000），電機(jī)型號即為αiF 30/3000，電機(jī)圖號即為0253，從FANUC伺服電機(jī)說明書（B-65270）的第2章 中可以查到電機(jī)代碼為303。說明：HRV*表示針對不同的應(yīng)用場合要求加載的不同類型的伺服參數(shù)，對于多數(shù)常規(guī)的應(yīng)用場合加載標(biāo)準(zhǔn)伺服參數(shù)即可，因此一般使用HRV2型的。直徑編程的軸的伺服設(shè)定。對于直徑編程的軸的伺服設(shè)定，F(xiàn)ANUC 0i-D系統(tǒng)與此前的0、0i-A/B/C、16i/18i/21i等老系統(tǒng)的設(shè)定方法有所不同。將某個軸設(shè)定為直徑編程的參數(shù)為NO.1006#3（DIAx），設(shè)為1時(shí)表示軸為直徑編程，設(shè)為0時(shí)表示軸為半徑編程。

對于0i-D之前的系統(tǒng)，除了要將設(shè)定軸為直徑編程的參數(shù)設(shè)為1之外，還要在伺服設(shè)定畫面中進(jìn)行以下兩者之一的處理：①將指令倍承比設(shè)為半徑編程時(shí)的一半，即設(shè)為1。②在計(jì)算柔性齒輪比(N/M)時(shí)，將指令單位換算為設(shè)定單位的一半后再進(jìn)行N/M的計(jì)算。例如，設(shè)定單位為1 μm，則當(dāng)軸為直徑編程時(shí)指令單位=0.5 μm。對于0i-D系統(tǒng)，只需將設(shè)定軸為直徑編程的參數(shù)設(shè)為1即可。以本次用FANUC 0i-D系統(tǒng)改造的數(shù)控車床為例，設(shè)定單位為1μm，X、Z軸電機(jī)與絲杠直連。X軸為直徑編程，螺距為6 mm，故X軸齒輪比N/M=6/0.001/1000000=3/500，指令倍乘比設(shè)為2；Z軸為半徑編程，螺距為8 mm，故Z軸齒輪比N/M=8/0.001/1000000=1/125，指令倍乘比設(shè)為2。伺服設(shè)定畫面見圖3。

5.加工程序編制和刀補(bǔ)值設(shè)置

加工程序和刀補(bǔ)值與原FANUC 0系統(tǒng)基本一樣，這里就不展開敘述了。

三、安裝調(diào)試過程中的其他注意事項(xiàng)

圖3 伺服設(shè)定畫面

（1）伺服電源模塊分為三相AC 220 V型和三相AC 380 V型兩種，設(shè)計(jì)和安調(diào)人員要先認(rèn)清楚型號，對于三相AC 220 V型的伺服電源模塊要增加交流變壓器。

（2）0i-D系統(tǒng)的伺服電源模塊上的CX1A（220V）插頭、CX3（MCC）插頭、ESP（CX4）插頭和原來0系統(tǒng)的插頭的結(jié)構(gòu)和功能是一樣的，可直接使用以減少安裝調(diào)試的工作量。

（3）0i-D系統(tǒng)用的I/O單元的輸入點(diǎn)所用的直流24 V電壓是I/O單元自身提供的（端口CB104/105/106/107的B01號端子），不是由外部直流電源提供的；而輸出點(diǎn)所用的直流24V電壓是由外部直流電源提供的。I/O單元的輸入和輸出所用的兩個24 V不能混接在一起。

（4）0i-D系統(tǒng)用的I/O單元的CB106的COM4端子本身是浮動的，為輸入信號的接線公共端提供了可選項(xiàng)。如果要使用CB106的話，要根據(jù)輸入信號的接線需求將COM4（A14）與0 V（A01）或者 24 V（B01）短接，不能將 COM4（A14）空著不接線。

（5）原來的α系列伺服電機(jī)的抱閘控制電壓為直流90 V，現(xiàn)在的αi系列伺服電機(jī)的抱閘控制電壓為直流24 V，改造時(shí)要注意改變電壓的接線方式。

在使用以上技術(shù)方案對該數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造后，設(shè)備故障率顯著降低，數(shù)控系統(tǒng)備件得到了有效保障；同時(shí)通過實(shí)踐，對數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用加深了理解，解決問題的能力也得到了提高。