DCI11缸蓋加工中心的控制系統(tǒng)分析

夏超國 趙明炯

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖北 十堰 442000）

1 加工中心數(shù)控系統(tǒng)的控制原理

1.1 缸蓋加工中心FANUC 16i-MB系統(tǒng)的特點(diǎn)及組成

DCI11缸蓋4臺(tái)加工中心的數(shù)控系統(tǒng)采用的是FANUC 16i-MB系統(tǒng)，這類系統(tǒng)最多可控制8軸，可實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)。它以超小超薄型為主要特點(diǎn)，CNC控制部分與伺服驅(qū)動(dòng)器之間采用了新開發(fā)的50 Mbps高速數(shù)據(jù)傳送串行總線，兩者之間只用2根光纜相接。采用小型I／O模塊控制機(jī)床的I／O信號(hào)，使電控制部分的電纜減少到以往的1／3。系統(tǒng)帶有高速PMC，基本指令的執(zhí)行時(shí)間為0.1μs，梯形圖最大可達(dá)24 000步。它還具有“在線用屏幕功能”，使16i／18i系列能用做以太網(wǎng)（Ethernet）的終端。操作者可以隨意從主計(jì)算機(jī)中調(diào)出加工圖形、制造文件、加工參數(shù)及程序等，還可以向計(jì)算機(jī)傳回CNC機(jī)床的加工狀態(tài)，以進(jìn)行加工管理，提高生產(chǎn)效率。

缸蓋加工中心上可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸3軸聯(lián)動(dòng)。FANUC 16i-MB系統(tǒng)主要由CNC主板、伺服電源單元、伺服放大器、主軸電源單元、主軸放大器單元、I／O 單 元、MDI／CRT單元等組成。

圖1 各軸伺服電源與各軸伺服放大器連接框圖

1.2 缸蓋加工中心FANUC 16i-MB系統(tǒng)電氣控制原理

該加工中心控制系統(tǒng)主要可分為輔助功能系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)，前者由PMC控制，PMC控制的是通過JD1B與外置的I／O的JD1A電纜連接通信。執(zhí)行元件一般為傳感器、電磁閥、普通電機(jī)，如冷卻液、排屑、工作臺(tái)的夾緊、松開、ATC的旋轉(zhuǎn)等。后者作為伺服部分，該加工中心共有3個(gè)伺服電源模塊和3個(gè)伺服放大器模塊。電源模塊U-PUS1及伺服放大器模塊U-SCR1提供主軸的電源及主軸的伺服電機(jī)控制。設(shè)備運(yùn)行啟動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)CR-2AP與主軸電源模塊U-PUS1的CX4相連，給主軸發(fā)出運(yùn)行準(zhǔn)備允許信號(hào)。

圖1中電源模塊U-PSU2為X、Y軸提供電源，伺服放大器U-SVU1、U-SVU2分別控制X、Y軸的伺服電機(jī)。當(dāng)NC電源接通，延時(shí)繼電器TR-1AP的觸點(diǎn)與電源模塊U-PSU2的CX4相連，延時(shí)1 s，保證在NC啟動(dòng)正常的情況下電源模塊 U-PSU2接通。另一個(gè)電源模塊U-PSU3為Z、B軸提供電源，伺服放大器U-SVU3、U-SVU4分別控制Z、B軸的伺服電機(jī)。伺服電源模塊電源由外部AC200 V R1、S1、T1三相電源供給，通過電源模塊整流濾波等處理為DC600 V左右電源輸出，經(jīng)P、N電纜連接到伺服放大器供給其工作。伺服電機(jī)及光柵尺均通過光纜直接反饋到伺服放大器上，從而控制各軸的伺服電機(jī)的位置、速度運(yùn)動(dòng)及反饋。

1.3 FANUC在線 UPS

在DCI11缸蓋每臺(tái)加工中心的數(shù)控系統(tǒng)中，分別在主軸放大器，X、Y 軸放大器，Z、B 放大器模塊上均連接了一個(gè)FANUC專用的在線UPS（不間斷電源）；共有3個(gè)BACK UP MODULE儲(chǔ)能模塊，每個(gè)BACK UP MODULE模塊由整流器和逆變器、電源單元及2個(gè)25 000μF的大功率電容組成；在異常停電時(shí)分別給主軸伺服系統(tǒng)，X、Y軸伺服系統(tǒng)，Z、B伺服系統(tǒng)供電。其主要作用是當(dāng)設(shè)備異常停電時(shí)，及時(shí)保護(hù)主軸防止打刀。

該加工中心上所用的FANUC專用在線UPS跟一般的UPS相比，其不同主要表現(xiàn)在大功率和快速性上，此UPS容量可達(dá)5～10 k VA，2個(gè)大電容容量均為25 000μF，中斷轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為T≤150μs。一般計(jì)算機(jī)上用UPS中斷轉(zhuǎn)換時(shí)間為T≤4 ms，當(dāng)發(fā)生突然停電時(shí)UPS檢測出停電報(bào)警，2個(gè)25 000μF大功率的電容開始放電工作，快速向伺服系統(tǒng)供電。同時(shí)它還具備過載或短路及自身電池電壓過低的自動(dòng)保護(hù)功能?，F(xiàn)只針對UPS與主軸的連接作詳細(xì)說明，至于其與X、Y、Z、B軸的連接及控制原理跟主軸相似，在此不作說明。UPS與主軸的連接圖如圖2所示。

圖2 UPS與主軸伺服系統(tǒng)連接圖

其工作原理如下：當(dāng)供電正常時(shí)，輸入三相交流電壓R1BM、S1BM、T1BM通過充電電路不斷對UPS-1SP模塊進(jìn)行充電，由2個(gè)大功率的電容儲(chǔ)能。同時(shí)通過AC／DC電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后通過逆變器再將直流電壓逆變成交流正弦波電壓供給負(fù)載。當(dāng)異常停電時(shí)，UPS的CX16電纜中的輸入點(diǎn)X17.1檢測到停電報(bào)警信號(hào)，與此同時(shí)UPS的UPS-1SP模塊開始工作，由UPS的SUB MODULE R模塊中的RE1、RE2、TH1三相電源提供給備用模塊 UPS-1SP AC200 V電源，電源模塊UPS-1SP通過電纜線S1SP、R1SP跟伺服電源模塊中的CX1A電纜相連，提供給伺服電源模塊AC200 V電源。同時(shí)UPS-1SP模塊中的P、N電纜線與2個(gè)25 000μF大功率的電容相連，通過整流逆變UPS-1SP模塊中的P、N將DC600 V左右的直流電源提供給主軸伺服放大器，以便供給伺服放大器正常工作。此時(shí)NC程序立即發(fā)出讓進(jìn)給軸停止的指令，通過程序控制延時(shí)1 s主軸也停止。無論是在正常供電還是異常停電的情況下，在線UPS始終處于工作狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻以及近似零轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而起到了在異常停電情況下保護(hù)主軸及防止打刀的作用。

2 刀庫的控制

2.1 刀庫的類型

加工中心的刀庫有鏈?zhǔn)健⒈P式和轉(zhuǎn)塔式等基本類型。與盤式和轉(zhuǎn)塔式刀庫相比，鏈?zhǔn)降稁斓奶攸c(diǎn)是存刀量多，擴(kuò)展性好，在加工中心上的配置位置靈活，柔性化程度高，結(jié)構(gòu)要復(fù)雜。缸蓋加工中心采用的是鏈?zhǔn)降稁欤毒呷萘繛?0把。除了具有儲(chǔ)存刀具的功能之外，還能根據(jù)要求將各工序所用的刀具運(yùn)送到換刀位置，然后和主軸上的刀具進(jìn)行交換，達(dá)到換刀的目的。

2.2 換刀動(dòng)作

該加工中心換刀程序采用集巨指令調(diào)用方式，此種方式是通過參數(shù)PRM 6085來設(shè)置的（設(shè)定成P6即可），當(dāng)執(zhí)行宏程序時(shí)，遇到 M06功能代碼，自動(dòng)調(diào)用O9025程序（該加工中心的換刀程序）。

在換刀時(shí)，Z軸必須與刀盤保持固定的水平位置，但是該位置又不同于加工時(shí)Z軸參考點(diǎn)位置（因多工序加工時(shí)，主軸存在讓刀情況），該位置稱為Z軸的換刀位置即第二參考點(diǎn)位置（通過參數(shù)PRM 1241設(shè)置）。首先，通過宏程序系統(tǒng)變量保存當(dāng)前的模態(tài)信息，以便程序返回之用。接著通過PMC程序判斷當(dāng)前刀號(hào)與主軸刀號(hào)是否相同，根據(jù)結(jié)果判斷是否執(zhí)行換刀程序。其次，執(zhí)行換刀動(dòng)作的具體過程。

2.3 刀具管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)的刀具調(diào)整是通過對刀儀對刀，人工記錄刀具數(shù)據(jù)（長度、直徑等），并將數(shù)據(jù)貼在刀柄上，人工根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)通過數(shù)控系統(tǒng)操作面板輸入刀補(bǔ)。人工輸入刀具補(bǔ)償，效率低，還有可能出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，尤其是在加工中心中，刀具作為參與制造的重要輔助工具，其品種繁多，數(shù)量巨大，對刀具能否進(jìn)行有效的管理已直接影響到生產(chǎn)效率及制造成本。因而，在刀具管理方面如何優(yōu)化并實(shí)施一套嚴(yán)格有效的、容易操作的管理規(guī)程及相應(yīng)的管理系統(tǒng)就變得非常重要。對此，DCI11缸蓋的刀具信息采用了刀具管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。它具有友好的人機(jī)對話界面及強(qiáng)大的管理功能，能及時(shí)準(zhǔn)確地提供刀具及其組件信息，在最短時(shí)間內(nèi)完成刀具準(zhǔn)備，給機(jī)床提供正確的刀具，極大地提高了車間的生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

整個(gè)缸蓋加工工序在4臺(tái)加工中心上全部完成，在DCI11大馬力機(jī)加設(shè)備中零件加工質(zhì)量是最穩(wěn)定可靠的。其電主軸及FANUC專用UPS不間斷電源的應(yīng)用，有效地提高了加工精度和生產(chǎn)效率，對今后的設(shè)備維護(hù)及設(shè)計(jì)具有廣泛而深刻的意義。

［1］FANUC Series 16i／160i／160is-MB操作說明書

［2］FANUC Series 16i-MODEL B參數(shù)說明書