數(shù)控改造技術(shù)在數(shù)控故障維修中的應(yīng)用

范芳洪

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，湖南 株洲 412001）

0 引言

光柵尺常用于數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)伺服系統(tǒng)［1］中，用于直線位移或角位移的檢測(cè)，以提高機(jī)床的定位和重復(fù)定位精度，其檢測(cè)精度高。如果數(shù)控機(jī)床的使用環(huán)境不好或光柵尺使用不當(dāng)，光柵尺的故障率會(huì)比較高，一旦光柵尺出了故障，數(shù)控機(jī)床就會(huì)癱瘓。更換光柵尺，特別是大型數(shù)控機(jī)床配的進(jìn)口光柵尺，其價(jià)格昂貴，維修成本高，而且需要訂貨，維修周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。在不影響機(jī)床功能而精度達(dá)到要求的情況下，通過(guò)屏蔽光柵尺，將全閉環(huán)系統(tǒng)改成半閉環(huán)系統(tǒng)的改造維修方法，能縮短維修周期和節(jié)約維修成本，保證生產(chǎn)進(jìn)度。

1 維修改造方案的提出

筆者單位的校辦企業(yè)一臺(tái)840D數(shù)控系統(tǒng)［2］TK42200立式龍門(mén)鏜銑床，全閉環(huán)控制，X軸一運(yùn)行就報(bào)警，經(jīng)診斷是由于冷卻液和鐵屑進(jìn)入光柵頭導(dǎo)致光柵尺損壞。該機(jī)床使用海德漢光柵尺，X軸的光柵尺長(zhǎng)4m，平行X軸導(dǎo)軌安裝。更換光柵尺，訂貨周期長(zhǎng)，價(jià)格昂貴，該機(jī)床負(fù)責(zé)某產(chǎn)品的關(guān)鍵工序加工，如果停產(chǎn)將導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線癱瘓。更換光柵尺生產(chǎn)上不允許，只能另辟蹊徑，屏蔽光柵尺把X軸改成半閉環(huán)控制，使機(jī)床恢復(fù)正常。

2 維修改造方案的論證

屏蔽X軸的光柵尺，將機(jī)床改成半閉環(huán)控制，在電氣上只需修改相應(yīng)的參數(shù)和編制PLC邏輯控制程序［3］即可，因此是可行的。光柵尺主要用來(lái)補(bǔ)償半閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的傳動(dòng)誤差以及加工過(guò)程中進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)磨損而產(chǎn)生的誤差。要保證改造后的機(jī)床精度接近或達(dá)到改造前精度（行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），X軸的進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)精度［4］要高，并且要保證導(dǎo)軌、絲桿螺母潤(rùn)滑良好，減少磨損。X軸的機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)撬欧姍C(jī)通過(guò)齒輪減速傳動(dòng)到滾珠絲桿螺母，由螺母帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行，對(duì)傳動(dòng)鏈中的齒輪、滾珠絲桿螺母、支撐軸承等部件重新消除間隙和預(yù)緊后再檢查其傳動(dòng)精度，X軸絲桿的軸向竄動(dòng)為0.005mm，全行程內(nèi)反向間隙均勻，其值為0.02mm。只要反向間隙均勻且在0.04mm內(nèi)，系統(tǒng)的反向間隙補(bǔ)償功能［5］將實(shí)現(xiàn)間隙補(bǔ)償，因此，X軸的進(jìn)給傳動(dòng)鏈傳動(dòng)精度能夠保證改造后的精度達(dá)到要求。對(duì)機(jī)床的潤(rùn)滑油管、油路進(jìn)行清理、疏通，確保了機(jī)床潤(rùn)滑良好可靠。改造方案在機(jī)械上也是可行的，所以X軸維修改造方案是可行的。

3 改造方案的實(shí)施

3.1 屏蔽光柵尺

屏蔽光柵尺就是把全閉環(huán)系統(tǒng)改成半閉環(huán)系統(tǒng)，如果是半閉環(huán)系統(tǒng)，840D激活第一測(cè)量系統(tǒng)，全閉環(huán)激活第二測(cè)量系統(tǒng)。激活哪個(gè)測(cè)量系統(tǒng)由PLC控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。屏蔽X軸的光柵尺是關(guān)閉X軸第二測(cè)量系統(tǒng)，激活第一測(cè)量系統(tǒng)，即進(jìn)給軸／主軸驅(qū)動(dòng)內(nèi)部數(shù)據(jù)接口信號(hào)［6］DB31.DBX 1.5置位和 DB31.DBX1.6復(fù)位。X軸的MD30200由2改為1，測(cè)量元件由2個(gè)變成1個(gè)。

3.2 X軸回參考點(diǎn)的設(shè)計(jì)

屏蔽光柵尺之前，840D系統(tǒng)是采用海德漢光柵尺帶位移標(biāo)記［7］來(lái)回參考點(diǎn)，不需要參考點(diǎn)減速擋塊，利用光柵尺上相鄰的參考標(biāo)記來(lái)確定參考點(diǎn)的位置。屏蔽后，需要安裝回零減速擋塊和回零減速開(kāi)關(guān)才能回參考點(diǎn)，并要設(shè)置X軸回參考點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)。

3.2.1 回零擋塊和回零開(kāi)關(guān)的安裝

X軸的正負(fù)硬限位由一個(gè)三觸頭行程開(kāi)關(guān)的其中兩個(gè)觸頭的常閉觸點(diǎn)來(lái)檢測(cè)，不需要另外安裝行程開(kāi)關(guān)，將另外一觸頭的常開(kāi)觸點(diǎn)用作回零減速檢測(cè)。在擋塊槽中安裝一個(gè)回零減速擋塊，回零擋塊的長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)X軸MD34020定義的速度確定，即要求在該速度下碰到擋塊后減速到“0”速時(shí)，坐標(biāo)軸能停在擋塊上（不能沖過(guò)擋塊），否則回零不會(huì)成功。查看機(jī)床電氣原理圖，選擇I38.1為X軸回零減速信號(hào)的輸入地址。

3.2.2 設(shè)置X軸回參考點(diǎn)參數(shù)

X軸回參考點(diǎn)需要設(shè)置以下參數(shù)：

（1）MD34000：設(shè)置回零是否使用減速擋塊，“0”回零不使用減速擋塊 ，“1”回零使用回零減速擋塊，設(shè)定值為1。

（2）MD34200：設(shè)置回零使用的信號(hào) ，“1”使用編碼器零脈沖 ，“3”使用光柵尺位移編碼參考標(biāo)記，設(shè)定值為1。

（3）MD34010：設(shè)置回參考點(diǎn)的方向，“0”正方向，“1”負(fù)方向，設(shè)定值為0。

（4）MD34050：設(shè)置尋找零脈沖的方向，如果是“1”，則減速到零后繼續(xù)沿回參考點(diǎn)的方向找零脈沖，即零脈沖信號(hào)在減速開(kāi)關(guān)之后（如圖1所示，其中，Vc為尋找減速開(kāi)關(guān)速度，Vm為尋找零脈沖速度，Vp為參考點(diǎn)定位速度，Rv為參考點(diǎn)移動(dòng)距離）；如果是“0”，則減速到零后沿回參考點(diǎn)的相反方向找零脈沖，即零脈沖在減速開(kāi)關(guān)之前（如圖2所示），設(shè)定值為0。

（5）MD34040：設(shè)置尋找零脈沖的速度，設(shè)定值為500mm／min。

（6）MD34070：設(shè)置返回參考點(diǎn)的定位速度，設(shè)定值為300mm／min。

（7）MD34020：設(shè)置檢測(cè)參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)的速度，設(shè)置值為1 000mm／min。

圖1 零脈沖信號(hào)在減速開(kāi)關(guān)之后（MD34050＝1）

圖2 零脈沖信號(hào)在減速開(kāi)關(guān)之前（MD34050＝0）

3.3 設(shè)計(jì)PLC控制程序

PLC控制程序設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）在電腦上運(yùn)行 S7軟件［7］，通過(guò)適配器（PC Adapter）和NCU單元的X122接口相連，上載機(jī)床的PLC程序到電腦上。

（2）修改激活測(cè)量系統(tǒng)的PLC程序，如圖3所示?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置DB10.DBX1.0的值來(lái)切換測(cè)量系統(tǒng)，DB10.DBX 1.0＝0，激活第一測(cè)量系統(tǒng)；DB10.DBX1.0＝1，激活第二測(cè)量系統(tǒng)。

（3）編制返回參考點(diǎn)的PLC控制程序，如圖4所示。DB31.DBX12.7X軸擋塊回零內(nèi)部接口信號(hào)，在軸手動(dòng)回零的工作方式下，坐標(biāo)軸自動(dòng)地向參考點(diǎn)方向移動(dòng)，尋找參考點(diǎn)減速擋塊，壓下參考點(diǎn)擋塊后，回零減速檢測(cè)開(kāi)關(guān)閉合（I38.1＝1），接口信號(hào)DB31.DBX12.7置位，向系統(tǒng)發(fā)出指令，自動(dòng)完成返回參考點(diǎn)過(guò)程。

（4）經(jīng)編譯無(wú)誤后，把程序下載到數(shù)控系統(tǒng)中，重新開(kāi)機(jī)。

圖3 激活X軸測(cè)量系統(tǒng)PLC程序

圖4 X軸回零控制PLC程序

3.4 調(diào)試

調(diào)試的步驟如下：

（1）在系統(tǒng)診斷功能畫(huà)面 確認(rèn)X軸的第一測(cè)量系統(tǒng)生效，如果沒(méi)有，修改測(cè)量系統(tǒng)激活的PLC程序。

（2）手動(dòng)方式下，全行程內(nèi)由慢到快移動(dòng)X軸運(yùn)動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)。如果有爬行和振動(dòng)現(xiàn)象，修改速度控制環(huán)的比例增益和積分時(shí)間［8］，有爬行現(xiàn)象時(shí)應(yīng)增大比例增益，減少積分時(shí)間；有振動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)減少比例增益，增大積分時(shí)間，直到運(yùn)行平穩(wěn)。

（3）X軸反向間隙的補(bǔ)償，測(cè)量X軸反向間隙軸補(bǔ)償?shù)組D32450中。

（4）壓下X軸的回零減速檢測(cè)開(kāi)關(guān)，在系統(tǒng)PLC接口狀態(tài)畫(huà)面檢查I38.1的狀態(tài)是否發(fā)生變化，（壓下由0變成1，松開(kāi)由1變成0），若沒(méi)有，檢查X軸的回零減速檢測(cè)信號(hào)是否輸?shù)絀38.1地址。

（5）移動(dòng)機(jī)床使回零擋塊壓下回零減速檢測(cè)開(kāi)關(guān)，檢查I38.1信號(hào)是否發(fā)生變化。如果沒(méi)有，調(diào)整回零擋塊和回零減速檢測(cè)開(kāi)關(guān)的相對(duì)位置，直到信號(hào)正常。

（6）在手動(dòng)回零方式下，調(diào)整回參考點(diǎn)相關(guān)參數(shù)直到X軸回參考點(diǎn)正常。

零點(diǎn)是機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)，零點(diǎn)的漂移會(huì)引起工作坐標(biāo)系原點(diǎn)的漂移，導(dǎo)致加工產(chǎn)品的尺寸不準(zhǔn)?；亓阏：螅们Х直頇z查回零的一致性，每次零點(diǎn)位置漂移量要小于0.005mm。

4 結(jié)論

調(diào)試后，機(jī)床運(yùn)行正常，檢測(cè)X軸的定位精度和重復(fù)定位精度分別是0.02mm／2 000mm 和0.01 mm／2 000mm，達(dá)到了GB／T 19362 1－2003標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)床每天幾乎滿負(fù)荷工作，未出現(xiàn)任何故障，運(yùn)行穩(wěn)定，加工產(chǎn)品精度達(dá)到了要求，質(zhì)量穩(wěn)定。改造只用2天，大大縮短了維修周期，保證了生產(chǎn)進(jìn)度，完成了生產(chǎn)任務(wù)，改造的成本不到更換光柵尺的1／20，大大節(jié)約了維修成本。在數(shù)控機(jī)床維修中，利用改造維修方法，往往可以達(dá)到事半功倍的效果。

［1］ 王愛(ài)玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張德江，門(mén)延會(huì)，毛羽.SIEMENS 840D系統(tǒng)在GS30型數(shù)控機(jī)床改造中應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（2）：56－59.

［3］ 衛(wèi)道柱，楊沁，桂貴生，等.雙面二工位銑鉆組合機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（11）：57－60.

［4］ 周炳文.實(shí)用數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修技術(shù)500例［M］.北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2006.

［5］ 王建平.數(shù)控機(jī)床定位精度與補(bǔ)償［J］.機(jī)床與液壓，2011（4）：143－145.

［6］ 朱自勤.數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)［M］.北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006.

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［8］ 王志明，龔振邦，袁晶，等.基于模糊PID位置控制的氣伺服系統(tǒng)［J］.機(jī)電工程，2009（10）：93－95.