提高VMC100型加工中心系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究與分析

蔡丹 王德林 袁海清

【摘要】本篇論文主要從VMC100型四坐標(biāo)加工中心的電氣控制系統(tǒng)方面論述，具體對加工中心的數(shù)控裝置、PLC輸入/輸出系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置檢測反饋等機(jī)床組成系統(tǒng)進(jìn)行闡述，應(yīng)用加工中心出現(xiàn)的故障實(shí)例研究與分析各系統(tǒng)的穩(wěn)定性與重要性，達(dá)到提高VMC100型四坐標(biāo)加工中心的系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控裝置;伺服驅(qū)動(dòng);位置反饋

0.引言

VMC100型四坐標(biāo)加工中心為全閉環(huán)，立式加工中心，它是具有自動(dòng)換刀裝置及CNC四軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化加工機(jī)床，可進(jìn)行精加工或粗加工，此機(jī)床在一次裝夾后，可以自動(dòng)連續(xù)完成對零件的銑、鉆、鏜、擴(kuò)、鉸及攻絲等多種工序加工，適用于中等批量生產(chǎn)的各種平面、孔、復(fù)雜形狀表面的加工，能夠節(jié)省工裝，縮短生產(chǎn)周期，提高加工精度，但其工作久了，維護(hù)不當(dāng)或操作者誤操作等，機(jī)床的元器件或機(jī)械部件難免會(huì)出現(xiàn)一些損壞或各種故障（包括電氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等方面故障），為了有效的解決其在生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)的各種故障，提高VMC100型四坐標(biāo)加工中心的系統(tǒng)穩(wěn)定性，我們主要從機(jī)床的數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、線路器件等幾大電氣組成系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析此機(jī)床。

1.數(shù)控裝置

VMC100型加工中心選用了西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置（NCU），840D的NCK和PLC都集成在NCU上，它用于處理所有CNC、PLC通訊任務(wù)。數(shù)控裝置接收、分類處理、運(yùn)算來自機(jī)床的輸入信號(hào)（包括NC程序、PLC輸入信號(hào)、面板操作信號(hào)等），分別以脈沖的形式向PLC控制的輔助控制裝置和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出控制指令和運(yùn)動(dòng)指令，控制機(jī)床按照輸入的程序運(yùn)動(dòng)，完成零件的加工。但是機(jī)床工作久了，偶爾就會(huì)出現(xiàn)840D數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)故障，造成CNC、PLC通訊不正確，機(jī)床無法正常加工，影響數(shù)控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，現(xiàn)列舉實(shí)例說明如何提高VMC100型四坐標(biāo)加工中心的數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性。

例如：機(jī)床在執(zhí)行程序時(shí)，CNC、PLC通訊突然失敗，機(jī)床無法進(jìn)行加工。分析此現(xiàn)象為數(shù)控裝置發(fā)生故障，分別從NCU的CNC、PLC的硬、軟兩方面進(jìn)行研究，因?yàn)镹CU的硬件控制板一般情況下不容易損壞，所以先從軟件方面分析研究，對840D數(shù)控系統(tǒng)的CNC、PLC軟件程序進(jìn)行備份，然后將CNC、PLC的軟件程序初始化，重新回裝，觀察CNC、PLC通訊是否正常，再對硬件控制板檢測分析。具體步驟如下：

1.1 NCU RAM中的數(shù)據(jù)備份到MMC的硬盤中

1）在“Startup”區(qū)域中輸入用戶級(jí)別以上的密碼，本機(jī)床為“SUNRISE”。

2）進(jìn)入“Service”區(qū)域中“series;start-up”選擇垂直菜單“Make;start-up;archive”。

3）選擇NC、PLC數(shù)據(jù)，輸入文件名，選擇垂直菜單“archive”，數(shù)據(jù)備份到硬盤。

1.2 NCU的軟件初始化

NC初始化：NCU控制板的S3開關(guān)由0設(shè)置為1，然后按下控制板的RESET鍵等待NC清空完成，最后S3開關(guān)由1設(shè)置為0，NC初始化結(jié)束。

PLC初始化：NCU控制板的S4開關(guān)首先由0設(shè)置為2，然后由2設(shè)置為3，當(dāng)看到PS燈慢速閃爍一次后，在接下來的3秒中之內(nèi)設(shè)置S4開關(guān)為3、2、3，如PLC清空完成，NCU控制板上的PS燈就會(huì)快速閃爍，最后設(shè)置S4開關(guān)為0，PLC初始化結(jié)束。

1.3 數(shù)據(jù)恢復(fù)

將MMC硬盤中的備份數(shù)據(jù)恢復(fù)到NCU RAM中：

1）在“Startup”區(qū)域中輸入用戶級(jí)別以上的密碼，同樣為“SUNRISE”。

2）進(jìn)入“Service”區(qū)域中“series;start-up”選擇垂直菜單“Read;start-up;archive”。

3）選擇需要恢復(fù)的NC、PLC數(shù)據(jù)，選擇垂直菜單“Start”啟動(dòng)回裝。

定期的對機(jī)床NC、PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，就可以通過系統(tǒng)軟件的總清與恢復(fù)的方式解決數(shù)控裝置因?yàn)檐浖栴}而出現(xiàn)的各種類型故障（如伺服軸光柵尺被屏蔽、機(jī)床軸不生效等），從而提高了VMC100型四坐標(biāo)加工中心的數(shù)控裝置運(yùn)行的可靠性。

2.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是接受數(shù)控裝置CNC控制單元輸出的脈沖運(yùn)動(dòng)指令并將其進(jìn)行放大，通過直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床的伺服電機(jī)來間接驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件按照CNC控制單元程序規(guī)定的軌跡和速度進(jìn)行移動(dòng)和精確定位，加工出符合程序要求的工件。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)床的機(jī)械移動(dòng)部件和數(shù)控裝置的聯(lián)系環(huán)節(jié)，它的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能直接影響到零件加工的質(zhì)量，可見提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性對機(jī)床具有重大意義。現(xiàn)舉例說明如下：

機(jī)床正常執(zhí)行加工程序，當(dāng)進(jìn)給倍率低伺服軸運(yùn)行速度慢時(shí)，機(jī)床正常運(yùn)行，一旦進(jìn)給倍率大伺服軸運(yùn)行速度變快時(shí)，機(jī)床突然掉強(qiáng)電，停止加工。這說明機(jī)床的功率模塊出現(xiàn)故障，它只能控制伺服電機(jī)在慢轉(zhuǎn)速下運(yùn)動(dòng)，一旦倍率大軸速快時(shí)，功率模塊無法提供軸快速運(yùn)轉(zhuǎn)的電流，造成故障，所以只能更換或修理功率模塊。由此可見，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對提高了VMC100型四坐標(biāo)加工中心系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有非常重要的作用。

3.位置反饋系統(tǒng)

本機(jī)床中位置檢測反饋系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是相輔相成的，位置檢測反饋系統(tǒng)是應(yīng)用在伺服軸上的檢測反饋元件檢測伺服軸的位移和速度，發(fā)送反饋信號(hào)到CNC控制單元，與CNC控制單元發(fā)出的脈沖指令信號(hào)相比較，控制機(jī)床驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，這樣機(jī)床就會(huì)按照要求加工出符合要求的零件。位置檢測反饋裝置與伺服驅(qū)動(dòng)裝置相同，它的精確度直接影響到零件的加工，所以提高位置反饋系統(tǒng)的性能是非常必要的。

現(xiàn)舉例說明如下：機(jī)床運(yùn)行工件程序走Y軸時(shí)，造成加工的零件超差，機(jī)床本身并無報(bào)警。

分析本機(jī)床采用增量式編碼器，采用第一、第二兩個(gè)測量系統(tǒng)，第一測量系統(tǒng)采用直線光柵尺，直接測量機(jī)床執(zhí)行元件的實(shí)際位置，第二測量系統(tǒng)采用電機(jī)編碼器，通過測量電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)來測量執(zhí)行元件的位置，當(dāng)機(jī)床走Y軸時(shí)，編碼器數(shù)值應(yīng)跟隨光柵尺數(shù)值保持在固定的差值范圍內(nèi)，但是在機(jī)床走Y軸時(shí)，剛開始編碼器數(shù)值與光柵尺數(shù)值之間的差值超過了差值范圍，但機(jī)床并為出現(xiàn)輪廓監(jiān)控報(bào)警，經(jīng)過觀察，發(fā)現(xiàn)編碼器數(shù)值與光柵尺數(shù)值時(shí)而保持在差值范圍內(nèi)，時(shí)而超出差值范圍，機(jī)床都不出現(xiàn)報(bào)警，這就說明機(jī)床位置檢測反饋系統(tǒng)或伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有故障，當(dāng)機(jī)床CNC控制單元給出指令脈沖，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，編碼器、光柵尺開始計(jì)數(shù)，如果兩個(gè)測量系統(tǒng)出現(xiàn)任何位置檢測反饋不正確，就會(huì)造成輪廓監(jiān)控報(bào)警，應(yīng)急時(shí)解決。

具體步驟：

1）將機(jī)床“NCK”復(fù)位，檢測機(jī)床Y軸伺服控制板和驅(qū)動(dòng)模塊，檢測是否因?yàn)榭刂瓢寤蝌?qū)動(dòng)模塊損壞造成發(fā)送的運(yùn)算指令脈沖不正確。

2）檢測機(jī)床的第一與第二反饋系統(tǒng)，檢測是否因?yàn)閿嗑€造成反饋不準(zhǔn)確。

3）檢測機(jī)床的第一與第二測量系統(tǒng)，是否因?yàn)闇y量系統(tǒng)故障或測量系統(tǒng)臟造成誤差。經(jīng)過上述檢測，可以解決機(jī)床出現(xiàn)的故障，說明定期檢測伺服系統(tǒng)與位置檢測反饋系統(tǒng)可以消除一系列系統(tǒng)報(bào)警（如機(jī)床無法返回參考點(diǎn)等），同樣提高了VMC100型四坐標(biāo)加工中心的運(yùn)行的可靠性。

4.線路器件

機(jī)床的各組成線路器件對機(jī)床的系統(tǒng)穩(wěn)定性也是具有重要作用的，機(jī)床的強(qiáng)電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)都是通過各電器件，如斷路器、接觸器、繼電器、航空插頭等，任何器件的損毀都會(huì)影響機(jī)床的工作，所以定期的對電器件檢測是非常必要的。

5.總結(jié)

根據(jù)以上分析，我們總結(jié)出VMC100型四坐標(biāo)加工中心的數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)、線路器件對提高機(jī)床系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有非常重要的作用，數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、位置反饋系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要電氣組成系統(tǒng)，三大系統(tǒng)相輔相成，缺一不可，定期的對機(jī)床數(shù)控裝置的NC、PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，定期的對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元器件檢修以及位置檢測反饋系統(tǒng)的檢測和反饋裝置進(jìn)行檢修，定期更換機(jī)床老舊器件可以消除控制系統(tǒng)存在的隱患，保證機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高VMC100型四坐標(biāo)加工中心的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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作者簡介：蔡丹（1978—），遼寧沈陽人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，研究方向：數(shù)控技術(shù)。