FANUC 系統(tǒng)在數(shù)控車床改造中的應(yīng)用

尹昭輝，周禮根

(1. 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安223003; 2. 江蘇福斯特液壓科技有限公司，江蘇淮安223003)

某企業(yè)現(xiàn)有CK6136 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床2 臺(tái)，標(biāo)配國(guó)產(chǎn)基于PC 機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，主軸無(wú)極調(diào)速采用變頻器控制，x、z 軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度0.01 mm，刀具裝置為四工位電動(dòng)刀架，其他主要附加裝置有冷卻和手動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。該機(jī)床近期出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，隨機(jī)故障率增加，使用效率下降，維修成本增高，直接影響生產(chǎn)。經(jīng)查，機(jī)床機(jī)械性能良好，外圍電氣元件、線路未見老化，綜合各方面考慮，決定對(duì)該機(jī)床進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造。

1 改造內(nèi)容

1.1 數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)

該機(jī)床故障率升高的原因主要是由數(shù)控系統(tǒng)引起，車間的工作環(huán)境不佳使得控制計(jì)算機(jī)的硬件出現(xiàn)受損、老化，粉塵使得外部接口信號(hào)不穩(wěn)定，所以對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)主要考慮的因素就是穩(wěn)定性。結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)上一些主流數(shù)控系統(tǒng)，并綜合考慮價(jià)位以及員工可操作能力，作者決定選用FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)，它的高可靠性、高集成性、高性價(jià)比使其獲得了良好的口碑，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上得到了廣泛的應(yīng)用，其各硬件以及接口、線纜隨系統(tǒng)標(biāo)配，連接、維修更加方便。

1.2 機(jī)械部分的改造

由于該機(jī)床機(jī)械性能良好，不需要做大的改動(dòng)，絲杠、導(dǎo)軌、主軸箱等關(guān)鍵部件要做清潔和防銹處理，改造的重點(diǎn)是FANUC 系統(tǒng)標(biāo)配伺服電機(jī)與機(jī)床主體以及絲杠的連接、調(diào)試。

1.3 電氣控制改造

由于主要機(jī)械動(dòng)作能滿足使用要求，不做大的改動(dòng)，因此主軸控制、刀架控制、冷卻控制等部分的主回路和控制回路基本不變，需要增加的是自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)相關(guān)的液面反饋、潤(rùn)滑輸出和潤(rùn)滑泵動(dòng)作等控制線路?；谠摍C(jī)床的各I/O 信號(hào)要與FANUC 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，與原來(lái)開放式系統(tǒng)有所不同，故該部分需要重新設(shè)計(jì)。

1.4 上電調(diào)試

在完成各部分改造之后，要對(duì)機(jī)床進(jìn)行整機(jī)上電調(diào)試，需要進(jìn)行PMC 地址的設(shè)定、梯形圖的編制、伺服參數(shù)的設(shè)定、軸參數(shù)的設(shè)定、試切削等項(xiàng)目，根據(jù)試切削情況進(jìn)行必要的優(yōu)化，最后完成機(jī)床的升級(jí)改造。

2 改造過程

2.1 機(jī)械部分

將原有步進(jìn)電機(jī)拆下，改為FANUC 伺服電機(jī)，由于該電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和原有安裝位置尺寸不同，需要重新制作一個(gè)電機(jī)支撐座，需要重點(diǎn)保證電機(jī)安裝面與支撐座地面的垂直度以及電機(jī)與絲杠的同軸度;電機(jī)與絲杠采用1∶1 同步齒形帶連接;考慮到安裝調(diào)整方便，同步帶輪和絲杠采用無(wú)鍵錐環(huán)連接;這樣形成伺服電機(jī)－同步齒形帶－絲杠的傳動(dòng)鏈;自動(dòng)潤(rùn)滑裝置安裝在原有手動(dòng)潤(rùn)滑位置即可，考慮潤(rùn)滑油管的連接。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的連接

FANUC 系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器、主控制器、I/O LINK、接口、線纜等均為統(tǒng)一配備，只需要按照硬件連接說明書要求連接即可。主控制器上的COP10A通過FSSB 與驅(qū)動(dòng)器COP10B 連接，進(jìn)行伺服信號(hào)的發(fā)送;JD1A 端口與I/O LINK JD1B 端口連接，負(fù)責(zé)外部信號(hào)與內(nèi)部PMC 的輸入輸出控制;JA40 連接變頻器輸出主軸轉(zhuǎn)速指令模擬電壓信號(hào);JA7A 口接主軸原有的脈沖編碼器，負(fù)責(zé)主軸轉(zhuǎn)速的反饋;JD36A口接一RS2S2 串口電路，負(fù)責(zé)串行通信。伺服驅(qū)動(dòng)器上CX19B 口接入24 V 直流電源，CZ4 口連接來(lái)自伺服變壓器三相電源，CZ5 口接伺服電機(jī)，CX30 口接急停信號(hào)，JF1 口接伺服電機(jī)位置反饋。手搖脈沖發(fā)生器接I/O LINK 上JA3 口。如圖1 所示。

圖1 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)硬件連接圖

2.3 電氣控制部分

首先梳理出該機(jī)床的所有I/O 信號(hào)，主要有機(jī)床側(cè)信號(hào)和操作面板信號(hào)。機(jī)床側(cè)信號(hào)包含限位、刀位檢測(cè)、換刀輸出、冷卻輸出、潤(rùn)滑檢測(cè)、三色燈等，將這些信號(hào)線接入繼電器模塊組，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大等，然后各信號(hào)從繼電器模塊組出來(lái)，再接入分線器模塊的各個(gè)位置，此時(shí)需要注意分線器上各個(gè)端子位置的使用說明，防止接錯(cuò)，最后利用50 芯扁平線纜接入到I/O LINK 的CB104 端口;機(jī)床操作面板上的各個(gè)按鈕、旋鈕、指示燈、波段開關(guān)等功能信號(hào)也通過50 芯扁平線纜連接到I/O LINK 的CB105、CB107 端口，連接示意圖如圖2 所示。其布線按照相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖2 外圍控制信號(hào)連接圖

2.4 上電調(diào)試

2.4.1 PMC 地址的設(shè)定及梯形圖編制

FANUC 0i Mate TD 配備的單板式I/O LINK 有4個(gè)接口，分別為CB104、CB105、CB106、CB107，每個(gè)口有24 個(gè)輸入點(diǎn)和16 個(gè)輸出點(diǎn)，即該板總共96個(gè)輸入點(diǎn)和64 個(gè)輸出點(diǎn)，完全可以滿足該機(jī)床的信號(hào)使用要求。CB104 用于機(jī)床側(cè)信號(hào)，CB105 和CB107 用于機(jī)床操作面板，同時(shí)考慮X8.4、X9.1 和X9.2 這3 個(gè)地址NC 系統(tǒng)內(nèi)部已固定，必須使用，在進(jìn)行完組、座、槽、名稱的設(shè)定后，其PMC 地址就被定義，如表1 所示。

表1 PMC 地址分配及占用端子

接下來(lái)根據(jù)各信號(hào)地址和需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行梯形圖的編制，主要考慮兩個(gè)方面:

(1)容易造成嚴(yán)重后果、需要快速響應(yīng)的信號(hào)編入一級(jí)程序，比如急停、各方向超程限位等，其他功能塊程序編入二級(jí)程序。

(2)嚴(yán)格按照FANUC 梯形圖編制要求執(zhí)行。

梯形圖編輯完成后，利用CF 卡導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)中去，進(jìn)行各信號(hào)測(cè)試。

2.4.2 參數(shù)的設(shè)定

數(shù)控系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的重要條件是必須保證各種參數(shù)的正確設(shè)定，不正確的參數(shù)設(shè)置與更改，都可能造成嚴(yán)重的后果，因此必須在機(jī)床運(yùn)行前對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行正確的設(shè)定，在設(shè)置參數(shù)時(shí)嚴(yán)格按照參數(shù)說明書執(zhí)行。

(1)基礎(chǔ)性參數(shù)設(shè)置。主要包括I/O 通道、超程檢查、各軸互鎖、手輪有效等，進(jìn)入SYSTEM 畫面，軟鍵選取參數(shù)畫面，找到各參數(shù)對(duì)應(yīng)的位置號(hào)，然后輸入相應(yīng)的參數(shù)。

(2)主軸參數(shù)的設(shè)定。主要對(duì)電機(jī)名稱、電機(jī)代碼、主軸最高轉(zhuǎn)速、電機(jī)最高轉(zhuǎn)速、電機(jī)回轉(zhuǎn)方向、主軸傳感器類別、位置編碼器旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，需要連續(xù)按SYSTEM 功能鍵，顯示設(shè)定幫助畫面，然后選取主軸設(shè)定，按照要求對(duì)各參數(shù)進(jìn)行正確的設(shè)定。

(3)伺服參數(shù)的設(shè)定。主要對(duì)電機(jī)代碼、指令倍乘比、AMR、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向、柔性齒輪比N、速度反饋脈沖數(shù)、位置反饋脈沖數(shù)、參考計(jì)數(shù)器容量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)這些參數(shù)設(shè)定時(shí)特別注意是位型還是位軸型，位型參數(shù)由8 位組成，每個(gè)位都有不同的意義;軸型參數(shù)允許對(duì)每個(gè)軸分別設(shè)定參數(shù)，各參數(shù)類型的數(shù)據(jù)范圍為一般有效范圍，具體參數(shù)范圍根據(jù)實(shí)際情況確定，x 軸和z 軸分別設(shè)定，還需要注意在有些參數(shù)設(shè)定完畢后必須斷電重啟。

(4)軸參數(shù)的設(shè)定。該類參數(shù)包含各個(gè)軸的名稱、伺服增益、運(yùn)行速度、軟限位、加減速常數(shù)等，主要集中在1 006 ～1 624 號(hào)參數(shù)。同樣進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定幫助畫面，然后選取軸設(shè)定，進(jìn)入后對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)定，需要特別注意的是對(duì)機(jī)床零點(diǎn)的設(shè)置。β8/3000is 伺服電機(jī)內(nèi)置絕對(duì)值編碼器，根據(jù)改造需要進(jìn)行無(wú)擋塊參考點(diǎn)設(shè)置，步驟如下:

①用手動(dòng)方式，移動(dòng)x 軸和z 軸到達(dá)所需要設(shè)定的零點(diǎn)附近位置;

②設(shè)定參數(shù)1815#4 和1815#5 為0;

③系統(tǒng)斷電后重新啟動(dòng)系統(tǒng);

④在不移動(dòng)x 軸和z 軸的情況下，重新設(shè)定1815#4 為1，再重新啟動(dòng)系統(tǒng);

⑤系統(tǒng)報(bào)警，要求回原點(diǎn)，然后設(shè)置1815#5 參數(shù)為1，再次斷電啟動(dòng)。

以上參數(shù)設(shè)置完整性以畫面有無(wú)報(bào)警為標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.3 調(diào)試與試切

(1)對(duì)機(jī)床的各個(gè)功能進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，包括手動(dòng)操作、快速操作、手輪操作、編輯功能、MDI 功能、自動(dòng)運(yùn)行、刀架控制、主軸控制、其他輔助動(dòng)作等。

(2)試件切削。以該機(jī)床承擔(dān)的加工任務(wù)中的典型零件作為試切載體，通過對(duì)刀、程序輸入、加工、檢測(cè)等環(huán)節(jié)對(duì)改造后的機(jī)床加工性能進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)束語(yǔ)

改造后機(jī)床經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)使用后，未發(fā)生系統(tǒng)性故障，各項(xiàng)功能正常，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大大提高，充分證明此次改造是成功可行的，為企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備成本，同時(shí)也為該企業(yè)在其他傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)控化改造方面提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

【1】黃敏高，萬(wàn)勤.西門子840Di 數(shù)控系統(tǒng)在CW630 臥室加工中心改造中的應(yīng)用［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2008(4):149 －150.

【2】王印力，周新民，葉選林.普通車床機(jī)械部分的數(shù)控改造［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36(11):56 －57.

【3】趙美林.CA6140 車床的數(shù)控改造［J］.機(jī)床與液壓，2006(4):208 －209.

【4】劉明生，駱智勇，蒲珊珊. 機(jī)床的數(shù)控化改造方法研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(8):138 －140.