三菱M70數(shù)控系統(tǒng)在軋輥磨床改造中的應(yīng)用

付 芩

(江漢大學(xué)機(jī)電與建筑學(xué)院，湖北武漢 430056)

某用戶的一多齒軋輥磨床其控制系統(tǒng)原采用專用計(jì)算機(jī)，后因使用年久，控制顯示系統(tǒng)老化無法正常工作，需要進(jìn)行改造。經(jīng)過綜合分析，決定采用三菱M70數(shù)控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改造?，F(xiàn)將改造調(diào)試過程及磨床程序的編制做一介紹。

1 基本配置

該多齒軋輥磨床的機(jī)械部分可以保持留用，其運(yùn)動(dòng)軸有：①工作臺(tái)移動(dòng)軸，帶動(dòng)工件做循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，承重量大；①分度軸，由于磨削對(duì)象是多齒軋輥，而且軋輥的齒數(shù)也經(jīng)常變化，所以要求CNC系統(tǒng)有很高的分度精度，③磨削砂輪軸，驅(qū)動(dòng)砂輪上下運(yùn)動(dòng)，并與工作臺(tái)移動(dòng)軸做插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；④修刀器軸，驅(qū)動(dòng)修刀器上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主砂輪的修磨。

本次改造采用的數(shù)控系統(tǒng)是三菱M70系統(tǒng)，其主要配置如下：控制器采用三菱M70；伺服驅(qū)動(dòng)器3臺(tái)，采用 MDS-C1-V2-7035、MDS-R-V1-80、MDS-R-V1-20；伺服電動(dòng)機(jī)4臺(tái)，采用HA700NC-SR/OSE104(7 kW/2000 r/mim)、HA100NC-S/OSE104(2 kW/2000 r/min)、HF354S-A48(3.5 kW/2000 r/min)、HF105S-A48(1 kW/2000 r/min)；電源單元采用MDS-C1-CV110。在該配置中，有4套伺服電動(dòng)機(jī)，其中：HA700NC用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)做X軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加工工件置于工作臺(tái)上；HA100NC用于驅(qū)動(dòng)主砂輪做Z軸上下運(yùn)動(dòng)，Z軸可以與X軸做插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；HF354S-A48用于驅(qū)動(dòng)分度軸實(shí)現(xiàn)工件分度；HF105S-A48用于驅(qū)動(dòng)修刀器上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行砂輪修磨。

主砂輪的旋轉(zhuǎn)通過變頻器控制，轉(zhuǎn)速由CNC系統(tǒng)控制。整個(gè)系統(tǒng)的制動(dòng)為“電源再生制動(dòng)”。所以系統(tǒng)配備了電源再生單元：MDS-C1-CV110。

本系統(tǒng)的配置特點(diǎn)是：成本低。對(duì)于大功率伺服電動(dòng)機(jī)采用了“一拖二”雙驅(qū)動(dòng)器；即采用一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器MDS-C1-V2-7035控制兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器能控制一臺(tái)7 kW和一臺(tái)3.5 kW電動(dòng)機(jī)。本工程中使用的是一臺(tái)7 kW和一臺(tái)2.0 kW的電動(dòng)機(jī)。

另一特點(diǎn)是不同類型的驅(qū)動(dòng)器共用。在本系統(tǒng)配置中，使用了MDS-C1型驅(qū)動(dòng)器和MDS-R型驅(qū)動(dòng)器。這是因?yàn)镸DS-R型驅(qū)動(dòng)器所能驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)范圍最大是3.5 kW，而且其價(jià)格便宜，所以在一套M70CNC中使用了不同類型的驅(qū)動(dòng)器。在本系統(tǒng)中，不同驅(qū)動(dòng)器的排列也不受限制，其軸號(hào)由驅(qū)動(dòng)器上的旋鈕確定。

2 調(diào)試中的問題及故障排除

2.1 Z軸速度問題及對(duì)“電子齒輪比”的分析

該磨床的Z軸為驅(qū)動(dòng)主砂輪箱上下運(yùn)動(dòng)的軸，其機(jī)械部分部件繁多，重量大，因此除了采用配重平衡其重量外，還配用了減速比達(dá)60的齒輪箱，這樣可以減少對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩的要求，選用額定轉(zhuǎn)矩較小的電動(dòng)機(jī)以降低成本。配用在Z軸上的伺服電動(dòng)機(jī)為HA100NC-S，其額定轉(zhuǎn)速2000 r/min，Z軸螺距為10 mm，減速比 =60。因此Z軸實(shí)際額定速度=［2000/60］×10=333 mm/min。這一速度對(duì)自動(dòng)加工時(shí)，僅僅做微小距離的修刀量移動(dòng)尚可滿足。但是要做圓弧插補(bǔ)運(yùn)行，其速度就受到了限制。

有什么辦法能提高Z軸的速度嗎？廠家提出是否可以用“電子齒輪比”來進(jìn)行調(diào)節(jié)？

通用伺服系統(tǒng)可以通過調(diào)整電子齒輪比來調(diào)整指令脈沖與進(jìn)給距離的關(guān)系。確定電子齒輪比的幾個(gè)因素是：(1)編碼器每轉(zhuǎn)反饋脈沖(即驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一轉(zhuǎn)所需要的脈沖)；(2)機(jī)械減速比；(3)螺距。由以上參數(shù)經(jīng)過計(jì)算可以獲得每一脈沖對(duì)應(yīng)的運(yùn)行距離。因此每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)即確定了運(yùn)行速度。

而在數(shù)控系統(tǒng)中，沒有專門的電子齒輪比參數(shù)。但實(shí)際上在三菱M70CNC中由于有下列參數(shù)。

#2219——編碼器分辨率；#2218——螺距；#1003——輸入指令單位；#2201——電動(dòng)機(jī)側(cè)齒輪數(shù)；#2203——機(jī)械側(cè)齒輪數(shù)。

當(dāng)以上參數(shù)設(shè)定后，NC內(nèi)部已經(jīng)計(jì)算出了電子齒輪比。其中參數(shù)#2218、#2219的含義比較明確；#1003設(shè)定“輸入單位”，是NC內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算的基本單位。

一般操作者只在為“自動(dòng)程序”包括(MDI)編程時(shí)設(shè)定各軸運(yùn)行位置，這時(shí)輸入的數(shù)字就受到“輸入單位”的影響。這是很顯然的。另外，在進(jìn)行“螺距補(bǔ)償”和“反向間隙補(bǔ)償”時(shí)，其單位只有#1003的1/2，即能進(jìn)行更精確的補(bǔ)償。例：

當(dāng)“螺距補(bǔ)償”和“反向間隙補(bǔ)償”值為100，實(shí)際補(bǔ)償值僅僅為50；這就是#1003對(duì)其他參數(shù)的影響。

與之相近的另一參數(shù)是#1015(移動(dòng)指令單位)。既然已經(jīng)設(shè)定了#1003，那#1015又起什么作用呢？#1015的定義是“程序移動(dòng)量的最小單位”。

為了滿足編程的方便性，可以采用不同單位，可以與#1003相同，即也可以與#1003不同，但僅僅只對(duì)程序中的移動(dòng)量起作用，對(duì)其他參數(shù)不起作用。必須注意：如果在程序移動(dòng)量中使用了小數(shù)點(diǎn)，則數(shù)值以“毫米”為單位。

一般來說參數(shù)#2201、#2202構(gòu)成一個(gè)齒輪箱。#2201是連接在電動(dòng)機(jī)軸上的齒輪數(shù)，#2202是連接在機(jī)械軸上的齒輪數(shù)；而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，多只知道齒輪箱的減速比，故一般設(shè)定#2201=1，#2202=齒輪箱減速比，但如果減速比是小數(shù)，則可以設(shè)定#2202/#2201=減速比。對(duì)#2201，#2202的功能做過實(shí)驗(yàn)。在同樣的速度指令下，增加#2201數(shù)值，速度變快；增加#2202數(shù)值，速度變慢。以上是對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)與“電子齒輪”有關(guān)參數(shù)的功能和使用的分析。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度來看，砂輪箱的運(yùn)動(dòng)速度由電動(dòng)機(jī)速度、減速比和螺距三因素決定，電動(dòng)機(jī)速度的最大值就決定了砂輪箱(Z)的最大速度。調(diào)節(jié)電子齒輪比只能調(diào)節(jié)每一指令單位對(duì)應(yīng)的實(shí)際移動(dòng)距離，而無法改變實(shí)際“最大速度”的值。所以最大速度必須在電動(dòng)機(jī)選型時(shí)予以充分考慮。在本改造項(xiàng)目中，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)Z軸的進(jìn)給量在0.01～0.03 mm之間。按Z軸額定速度333 mm/min計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間在0.0018～0.0054 s，所以能夠滿足自動(dòng)運(yùn)行的要求。對(duì)于手動(dòng)運(yùn)行而言，設(shè)定額定速度為手動(dòng)速度，基本滿足客戶要求。但今后在對(duì)老舊設(shè)備改造時(shí)，對(duì)于配有大減速比齒輪箱的運(yùn)動(dòng)軸必須核算其額定工作速度，選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)。

2.2 插補(bǔ)速度的限制

調(diào)試完畢，在實(shí)驗(yàn)其加工程序時(shí)出現(xiàn)下列情況：

(1)運(yùn)行自動(dòng)加工程序走直線插補(bǔ)：

G90 G1 X1200.Z0.03 F1200

實(shí)際運(yùn)行速度可以達(dá)到程序指定的F1200。

(2)運(yùn)行自動(dòng)加工程序走圓弧插補(bǔ)：

N20 G91G03 Z0X1000.R#6 F1000(R#6為計(jì)算圓弧半徑)

卻出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度達(dá)不到程序指定的速度F1000，而是受制于Z軸“G1限制速度”?！癎1限制速度”由參數(shù)#2002設(shè)定。該數(shù)值即Z軸額定速度333 mm/min。這令人迷惑。如果說插補(bǔ)速度受到Z軸“G1限制速度”的限制，為何走直線時(shí)不受限制而在走圓弧時(shí)限制呢。這個(gè)問題提出來求教于高手。

2.3 Z55報(bào)警及其排除

該系統(tǒng)調(diào)試完畢試加工時(shí)經(jīng)常隨機(jī)出現(xiàn)“Z55.RI/O未連接”報(bào)警，使自動(dòng)加工中斷。

也有三菱CNC開機(jī)時(shí)，即使沒有連接 遠(yuǎn)程I/O單元，也會(huì)出現(xiàn)“Z55遠(yuǎn)程I/O單元未連接”報(bào)警。為什么會(huì)這樣呢？

Z55報(bào)警的一般原因：控制器和 RI/O之間的通訊出現(xiàn)了故障。Z55報(bào)警實(shí)際是通訊中斷或紊亂，而不是RI/O未連接。所以下列情況可能會(huì)引起Z55報(bào)警。

(1)當(dāng)控制器與基本I/O之間的通訊電纜CF10插頭松動(dòng)或出現(xiàn)電纜故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)Z55報(bào)警。

(2)當(dāng)主電動(dòng)機(jī)回路絕緣不好時(shí)出現(xiàn)過Z55報(bào)警。這是電動(dòng)機(jī)的接地線和RI/O連接電纜R211的屏蔽線共地引起的故障。

(3)SH41電纜也可以用于RI/O連接。SH41電纜沒有屏蔽線。在較長(zhǎng)距離連接時(shí)使用了SH41電纜。由于其沒有屏蔽線接地，會(huì)受到外部干擾也出現(xiàn)Z55報(bào)警(特別是電柜內(nèi)裝有變頻器時(shí))，而且其報(bào)警出現(xiàn)是隨機(jī)的，沒有規(guī)律。

(4)上電順序不對(duì)也會(huì)出現(xiàn)Z55報(bào)警。

所以排除Z55報(bào)警的方法如下：

(1)檢查連接電纜的選擇是否正確以及是否有脫線或虛焊。注意：當(dāng)控制器與RI/O在同一控制柜內(nèi)時(shí)，可以用SH41電纜。如果控制器與RI/O不在同一控制柜內(nèi)時(shí)，必須使用FUCA-R211電纜。FUCAR211電纜帶有屏蔽線，其屏蔽線必須接地(FG端子)。本次改造項(xiàng)目中出現(xiàn)的報(bào)警就是連接電纜無屏蔽線，而且電柜內(nèi)又有變頻器。改用帶屏蔽線電纜后故障解除。

(2)檢查電源的容量和電壓，使對(duì)RI/O正常供電。

(3)如RI/O單元硬件有故障，予以排除。

3 磨削程序的結(jié)構(gòu)

3.1 軋輥磨床的基本工作順序

多齒軋輥磨床對(duì)工件的磨削過程有其特殊性，在編制程序前，仔細(xì)觀察其他磨床的工作過程，聽取客戶的要求是非常必要的。經(jīng)過仔細(xì)觀察，總結(jié)軋輥磨床工作的基本工作順序如下：

(1)單齒磨削；

(2)由多個(gè)單齒磨削構(gòu)成全齒磨削(整圈磨削)；

(3)由多個(gè)整圈磨削構(gòu)成全磨削加工程序。

由于單齒磨削構(gòu)成了整個(gè)磨削程序的基礎(chǔ)，所以對(duì)單齒磨削過程進(jìn)行了仔細(xì)的觀察和分析，總結(jié)單齒磨削的動(dòng)作順序如下：

(1)裝卸工件軋輥；

(2)修刀器(Y軸)上升到修磨基準(zhǔn)位(對(duì)刀線)；

(3)主砂輪下降到修磨砂輪位置；

(4)工作臺(tái)(X軸)前進(jìn)執(zhí)行砂輪修磨

(5)工作臺(tái)(X軸)往復(fù)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行工件修磨；

(6)分度軸分度。

3.2 客戶對(duì)加工程序的要求

(1)由于待修磨軋輥的齒數(shù)不同，要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)任意的分度。

(2)軋輥每一齒修磨稱為單齒修磨。單齒修磨分為粗磨和精磨。粗磨是指主砂輪對(duì)軋輥每一齒只修磨一次，即工作臺(tái)只走一個(gè)單向行程；精磨是指主砂輪對(duì)軋輥每一齒修磨兩次，即工作臺(tái)走雙向行程。

(3)精磨粗磨既可以是直線磨削也可能是圓弧磨削。

(4)主砂輪的每次修刀量是可以任意設(shè)定的。

(5)每一軋輥的全齒數(shù)修磨稱為一圈修磨。一圈修磨也分為粗磨和精磨，磨削量可以任意設(shè)定。

(6)粗磨和精磨的圈數(shù)要求可以任意設(shè)定。

3.3 加工程序的編制原則

經(jīng)過對(duì)客戶要求的仔細(xì)分析，制定了編制磨床加工程序的原則：

(1)以單齒的粗磨循環(huán)做為一個(gè)子程序；

(2)以單齒的精磨循環(huán)做為一個(gè)子程序；

(3)以N個(gè)單齒粗磨循環(huán)構(gòu)成為一個(gè)“整圈粗磨子程序”；

(4)以N個(gè)單齒精磨循環(huán)構(gòu)成為一個(gè)整圈精磨子程序；

(5)由N個(gè)整圈粗磨子程序和N個(gè)整圈精磨子程序構(gòu)成整個(gè)磨削加工程序；

(6)所有需要設(shè)置的數(shù)值均以變量表示。

現(xiàn)以精磨子程序?yàn)槔M(jìn)行說明：

單齒磨削構(gòu)成了加工程序的基礎(chǔ)。整圈磨削程序的編制是在其基礎(chǔ)上完成。整圈精磨子程序如下：

N10 M98 P9000 L#127

其中：M98是調(diào)用子程序命令；P9000是被調(diào)用的子程序號(hào)；L#127是調(diào)用子程序的次數(shù)，#127是一變量，其數(shù)值為軋輥的齒數(shù)，實(shí)際操作中為保證加工質(zhì)量，該數(shù)值=齒數(shù)+2。

單齒粗磨子程序和整圈粗磨子程序與精磨子程序類似。由此可以構(gòu)成整個(gè)加工程序。

4 PLC程序與加工程序的關(guān)系

加工程序與PLC程序有密不可分的關(guān)系。特別是加工程序中發(fā)出的M指令必須在PLC程序中加以處理用以驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備和實(shí)現(xiàn)一些特殊的要求。

在本次設(shè)備改造中，除常規(guī)的主軸正轉(zhuǎn)、主軸停止、開關(guān)冷卻液等功能外，客戶還要求系統(tǒng)能夠顯示當(dāng)前正在磨削的“圈數(shù)”和“齒數(shù)”。在三菱CNC操作界面上，能夠顯示數(shù)據(jù)的有“刀號(hào)T”和“加工件數(shù)”。磨床上沒有使用“刀號(hào)T”，故可用其來顯示“加工圈數(shù)”。

4.1 “當(dāng)前磨削齒數(shù)”的處理

“當(dāng)前磨削齒數(shù)”可以通過設(shè)置為“加工件數(shù)”來顯示。具體操作方法為：

設(shè)置加工參數(shù) #8001=20；其含義是定義M20為工件計(jì)數(shù)標(biāo)志。當(dāng)加工程序中出現(xiàn)M20時(shí)，就進(jìn)行一次計(jì)數(shù)；相應(yīng)地在單齒精磨子程序P9000中，編制N38 M20 ；標(biāo)定當(dāng)前磨削齒數(shù)

可以在屏幕上工件計(jì)數(shù)位置觀察到齒數(shù)的變化。

4.2 加工圈數(shù)的顯示

在加工程序每一圈加工開始位置編制程序(下例是在第2圈加工開始位置)

#1132=2 ；標(biāo)定“當(dāng)前磨削圈數(shù)=2”

#1132是NC內(nèi)部變量，其對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)的R172接口。所以必須在PLC程序內(nèi)做圖1所示處理，即將文件寄存器R172內(nèi)的數(shù)值隨時(shí)送入到刀號(hào)寄存器R36中，這樣就可以隨時(shí)觀察到當(dāng)前磨削圈數(shù)的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

該磨床經(jīng)改造后，運(yùn)行穩(wěn)定，加工程序能適應(yīng)不同齒數(shù)的軋輥磨削，用戶滿意。