三菱數(shù)控系統(tǒng)主軸定位功能在臥式加工中心改造上的應(yīng)用

徐 萍

(江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056)

某機(jī)床廠有俄羅斯進(jìn)口的大型臥式加工中心一臺(tái),其電氣控制系統(tǒng)已經(jīng)陳舊，現(xiàn)用三菱M70A數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造。臥加的主軸部分有3檔,需要換刀和鏜孔,因此需要”主軸定位”功能。三菱數(shù)控系統(tǒng)是具備主軸定位功能的，但是在臥加的設(shè)備改造中使用主軸定位功能時(shí)遇到諸多問(wèn)題，幾乎使設(shè)備改造陷于停頓。

1 外置編碼器做主軸定位

由于是主軸有3個(gè)檔位，所以第1方案是使用“外置編碼器”進(jìn)行主軸定位。在編碼器安裝連接完畢后，啟動(dòng)主軸運(yùn)行出現(xiàn)下列現(xiàn)象：

1.1 故障現(xiàn)象1 上電后主軸不能回原點(diǎn)

上電后，發(fā)出“主軸正轉(zhuǎn)”或“主軸反轉(zhuǎn)”指令，主軸都按“正向旋轉(zhuǎn)”。發(fā)出M19主軸定位信號(hào)后，主軸一直旋轉(zhuǎn)，無(wú)法定位。在定位期間，按下“主軸停止”按鍵，主軸旋轉(zhuǎn)停止，手松開(kāi)，主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

用手動(dòng)反向旋轉(zhuǎn)主軸2圈后，“主軸正轉(zhuǎn)”、“主軸反轉(zhuǎn)” 開(kāi)始有效，主軸定位動(dòng)作有效，而且能夠定位在“設(shè)定位置”(可以理解為主軸找到“原點(diǎn)”后，一切才正常)。

1.1.1 分析及判斷

(1)硬件及電纜正常(因?yàn)檎业皆c(diǎn)后的動(dòng)作正常)。

(2)主軸運(yùn)行怪異與參數(shù)有關(guān)。與主軸回原點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)是#3106；#3106 參數(shù)是回原點(diǎn)規(guī)范。#3106參數(shù)實(shí)際上只規(guī)定了“回原點(diǎn)方向”。設(shè)置#3106 參數(shù)，(原參數(shù)=0004)，改為0000,0001,0002 。無(wú)論怎樣設(shè)置均無(wú)法消除以上故障現(xiàn)象。

(3)重新檢查了與使用外置編碼器相關(guān)的參數(shù)。表1是相關(guān)參數(shù)。

表1 外置編碼器的相關(guān)參數(shù)

設(shè)置參數(shù)的注意事項(xiàng)：

①參數(shù)#3025=2:使用外置編碼器。

②#3022設(shè)置主軸與編碼器齒輪比(減速比)。如果機(jī)床結(jié)構(gòu)中主軸與編碼器不是1:1連接，必須設(shè)置此參數(shù)使之與機(jī)床結(jié)構(gòu)相符合。#3022參數(shù)值(主軸齒輪齒數(shù)/編碼器齒輪齒數(shù))。

③13017 的bit4：設(shè)置位置反饋極性。如果設(shè)置不當(dāng)也會(huì)造成主軸速度不受控制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置。

④#13019：設(shè)置位置檢測(cè)器分辨率。必須固定設(shè)置=4096。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)也曾設(shè)置為2048，但立即引起運(yùn)行混亂，甚至導(dǎo)致主軸不能回原點(diǎn)。如果其他參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警“參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤----#13019”。

⑤#13031：設(shè)置電機(jī)類(lèi)型。由于是全閉環(huán)運(yùn)行，必須設(shè)置bit3---6=4.(與常規(guī)設(shè)置不同)。如果是串行編碼器則設(shè)置6200。

⑥#13054：設(shè)置全閉環(huán)誤差檢測(cè)幅度。根據(jù)主軸電動(dòng)機(jī)與主軸的連接方式：齒輪連接為#13054=360；同步帶連接為#13054=-1。

但要注意，即使主軸電動(dòng)機(jī)與主軸是齒輪連接也有齒輪直接連接和中間加過(guò)渡輪的情況。所以即使在齒輪連接方式中，只要主軸旋轉(zhuǎn)方向與電動(dòng)機(jī)相同，就可以認(rèn)為是“同步帶”方式。

該參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，上電后主軸運(yùn)行紊亂并報(bào)警。

⑦#13097 是專(zhuān)門(mén)用于外置編碼器的參數(shù)。必須設(shè)置#13097=-1。如果#13097設(shè)置錯(cuò)誤，將出現(xiàn)#13019參數(shù)報(bào)警。

(4)判斷

從故障現(xiàn)象分析，無(wú)論設(shè)置主軸正向回零還是反向回零，都無(wú)法找到“原點(diǎn)”。在用手動(dòng)反向旋轉(zhuǎn)主軸2圈后，才可以找到原點(diǎn)，說(shuō)明“外置編碼器”的Z相脈沖是有效的。但是在上電后的自動(dòng)回零時(shí)找不到原點(diǎn)，說(shuō)明設(shè)置的回零方向與“外置編碼器”的回零方向相反。所以上電后手動(dòng)逆方向運(yùn)行可以找到主軸原點(diǎn)。

于是重新查看了機(jī)床圖紙中的編碼器安裝結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖表明：主軸與編碼器是通過(guò)單級(jí)齒輪連接。所以編碼器的旋轉(zhuǎn)方向始終與主軸相反，故無(wú)論在參數(shù)上如何設(shè)置“回零方向”，總是與實(shí)際外置編碼器的回零方向相反，所以才出現(xiàn)以上“找不到原點(diǎn)”的怪現(xiàn)象。

1.1.2 三菱數(shù)控系統(tǒng)對(duì)外置編碼器的安裝要求

MDS-D-SP/SPJ3的主軸結(jié)構(gòu)圖如圖1。

從圖1 可以看出，主軸電動(dòng)機(jī)與主軸之間可以通過(guò)齒輪或同步帶相連接。但是主軸與外置編碼器之間要求用“同步帶”連接。這是為了保證主軸與編碼器之間“旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速相同”。如果主軸與編碼器之間是齒輪連接，也要通過(guò)加裝“中間過(guò)渡齒輪”達(dá)到“旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速相同”的要求。

根據(jù)以上分析，要求廠家在主軸與編碼器之間加裝“中間過(guò)渡齒輪”達(dá)到“旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)速相同”的要求。

在設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，可以正常執(zhí)行主軸定位。

1.2 故障現(xiàn)象2第3檔定位時(shí)出現(xiàn)報(bào)警

使用“外置編碼器”進(jìn)行主軸定位，在主軸第1檔、第2檔可正常進(jìn)行。但是換擋至第3檔時(shí)，一啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)就馬上出現(xiàn)“速度偏差過(guò)大”報(bào)警。連續(xù)多次均是同一報(bào)警。因此必定是有一“固定因素”在起作用。

1.2.1 分析與檢查

仔細(xì)查看主軸齒輪箱結(jié)構(gòu)圖，第1檔齒輪比=1:6, 第2檔齒輪比=1:2, 第3檔齒輪比=1:1, 從齒輪傳遞結(jié)構(gòu)來(lái)看：在第1檔和第2檔，主軸電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與主軸方向相同，而在第3檔，經(jīng)過(guò)齒輪傳遞后，主軸電動(dòng)機(jī)與主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反。這就是出現(xiàn)問(wèn)題的原因。

在實(shí)際操作時(shí)，發(fā)出 “主軸正轉(zhuǎn)”指令(主軸電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn))，而實(shí)際主軸反轉(zhuǎn)，從外置編碼器反饋到控制器的信號(hào)是“主軸反轉(zhuǎn)”，所以系統(tǒng)就立即發(fā)出“速度偏差過(guò)大”報(bào)警。

1.2.2 結(jié)論

由于必須保證主軸在各速度區(qū)間能夠正常運(yùn)行，所以“外置編碼器”的主軸定位方式被放棄了，必須采用另外的方法。

2 接近開(kāi)關(guān)定位法

在三菱數(shù)控系統(tǒng)中，其主軸驅(qū)動(dòng)器MDS-D-SP和MDS-D-SPJ3 都具有“接近開(kāi)關(guān)”主軸定位的方法。其實(shí)質(zhì)是以外部接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)作為主軸原點(diǎn)，用以實(shí)現(xiàn)主軸定位。

2.1 接近開(kāi)關(guān)的安裝與接線(xiàn)

感應(yīng)塊應(yīng)該與主軸剛性1:1連接，其感應(yīng)信號(hào)引出線(xiàn)應(yīng)該連接于主軸驅(qū)動(dòng)器的CN9口。接近開(kāi)關(guān)的接線(xiàn)如圖3所示。

2.2 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

(1)#3106 回原點(diǎn)參數(shù)。

建議設(shè)置 #3106=8000 (此時(shí)以接近開(kāi)關(guān)為原點(diǎn))?；卦c(diǎn)方向、定位方向均按此設(shè)置。

(2)#3108：定位位置調(diào)節(jié)量，單位為0.01°。

(3)#3109：Z相檢測(cè)速度。

(4)#13225：設(shè)置接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)極性(接近開(kāi)關(guān)定位功能專(zhuān)用參數(shù))。

(5)#13227：接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)生效參數(shù)(最為重要參數(shù))，#13227=4000。

2.3 出現(xiàn)的問(wèn)題

接近開(kāi)關(guān)安裝完畢，參數(shù)設(shè)置完成后出現(xiàn)過(guò)以下問(wèn)題：

(1)上電后出現(xiàn)找不到原點(diǎn)，無(wú)法執(zhí)行主軸定位.

將參數(shù)#13227修改為#13227=0000，上電后可以執(zhí)行主軸回零，也可以定位。但是出現(xiàn)主軸定位位置不時(shí)發(fā)生混亂，斷電上電后原定位位置丟失，定位位置調(diào)節(jié)量斷電后丟失諸多怪現(xiàn)象。因此判斷是參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，就是#13227參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查：三菱主軸驅(qū)動(dòng)器MDS-D-SP和MDS-D-SPJ3的接線(xiàn)圖是不同的。本次改造使用的是MDS-D-SP 主軸驅(qū)動(dòng)器。而最初接線(xiàn)使用的是MDS-D-SPJ3的接線(xiàn)圖。所以出現(xiàn)了上述怪現(xiàn)象。這種接線(xiàn)方式也不是完全不能運(yùn)行，只是出現(xiàn)不正常的運(yùn)行現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)正常接線(xiàn)后，可以執(zhí)行正常“主軸定位”。

(2)接近開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)而有效時(shí)而無(wú)效。

在執(zhí)行連續(xù)換刀的程序時(shí)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)可以執(zhí)行“主軸定位”， 有時(shí)不能執(zhí)行“主軸定位”。經(jīng)檢查，接近開(kāi)關(guān)的電信號(hào)是有效的，應(yīng)該調(diào)整接近開(kāi)關(guān)的安裝位置。但反復(fù)調(diào)整接近開(kāi)關(guān)的安裝位置后，仍然不能解決問(wèn)題。最后檢查安裝在主軸上的感應(yīng)塊，發(fā)現(xiàn)該感應(yīng)塊是一活動(dòng)的軸套，當(dāng)主軸裝有刀具時(shí)，該軸套被鎖緊，當(dāng)主軸未裝刀具時(shí)，該軸套處于活動(dòng)狀態(tài)。所以造成了“接近開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)而有效時(shí)而無(wú)效”的狀態(tài)。

為此，將主軸感應(yīng)擋塊重新制作，將其安裝在原來(lái)“外置編碼器”的位置，充分利用原有的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)這樣的處理，終于實(shí)現(xiàn)了正確的主軸定位。

2.4 使用接近開(kāi)關(guān)定位的要點(diǎn)

(1)必須保證感應(yīng)塊的安裝是直接與主軸相連。如果是過(guò)渡連接，必須保證“旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速度”與主軸完全一致。

(2)參數(shù)#3106、#13225、#13227最為重要。

(3) 參數(shù)的設(shè)置方法：先按各主軸標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置。再重新設(shè)置以上相關(guān)參數(shù)。關(guān)鍵是#13227必須設(shè)置。

3 結(jié)語(yǔ)

主軸定位是數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。但是在主軸多檔位的情況下，無(wú)論設(shè)計(jì)還是設(shè)備改造，必須對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、外置編碼器、接近開(kāi)關(guān)的電氣性能有足夠了解，在設(shè)備改造時(shí)要讀透主軸箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙，才能選定正確適用的主軸定位方案。否則就會(huì)出現(xiàn)1.2節(jié)描述的即使在第1第2檔能夠正常運(yùn)行定位，也不能保證在其他檔位正常運(yùn)行的情況。

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[3]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.三菱數(shù)控系統(tǒng)70系列連接說(shuō)明書(shū)IB-1500253[Z].2008.

[4]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.三菱數(shù)控系統(tǒng)70系列設(shè)定說(shuō)明書(shū)IB1500878-A[Z].2008.

[5]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.三菱數(shù)控系統(tǒng)70系列使用說(shuō)明書(shū)IB1500041-E[Z].2006

[6]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.三菱數(shù)控系統(tǒng)70系列編程說(shuō)明書(shū)IB1500073-D[Z].2006.

[7]MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.三菱數(shù)控系統(tǒng)MDS-D-SVJ3/SPJ3系列規(guī)格說(shuō)明書(shū)IB 1500280-C[Z].2012

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