凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)改造

張鋒　盧浩鵬　王亞飛（一拖（洛陽）柴油機有限公司，河南洛陽　471004）

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凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)改造

張鋒盧浩鵬王亞飛
（一拖（洛陽）柴油機有限公司，河南洛陽471004）

【摘 要】凸輪軸磨床數(shù)控系統(tǒng)由一百四十多塊印刷線路板（由分離電子元件構(gòu)成）組成，經(jīng)過二十多年的長期使用，許多線路板接插腳和參數(shù)設定撥碼開關(guān)接觸不良，對凸輪軸數(shù)控磨床進行部分數(shù)控硬件升級改造，改造成西門子公司經(jīng)濟型、步進電機控制軸的802S數(shù)控系統(tǒng)，它無風扇、無硬盤，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

【關(guān)鍵詞】砂輪修整器步進電機伺服軸報警診斷

1　概述

該機床使用的數(shù)控系統(tǒng)是由機床生產(chǎn)廠（日本NTC公司）自己研制的專用硬件數(shù)控系統(tǒng)（MF微進給系統(tǒng)），該數(shù)控系統(tǒng)由一百四十多塊印刷線路板（由分離電子元件構(gòu)成）組成，經(jīng)過二十多年的長期使用，許多線路板接插腳和參數(shù)設定撥碼開關(guān)接觸不良，故障率較高。

近年來，SCAM老凸輪軸磨床頻繁出現(xiàn)“撞刀”故障，即砂輪架快速進給時砂輪撞到了凸輪桃尖，凸輪桃尖磨掉，零件燒傷，有時在加工時還沒有到達加工尺寸砂輪會退回去，然后工作臺移位，開始加工下一個凸輪。造成零件報廢的同時也給機床設備和操作人員帶來了巨大安全隱患。

2　故障分析

經(jīng)過仔細觀察，當加工完中間凸輪頸，砂輪實際后退到5mm位置，本應RESET OK指示燈亮時，MF數(shù)控單元錯誤地顯示砂輪后退位置為：10mm，MAX RESET指示燈亮，但實際位置仍然為5mm，這樣在磨削下個凸輪頸時，砂輪快速進給量被錯誤地增加了5mm，使得砂輪快速空行程進給時，砂輪撞到凸輪軸上，即發(fā)生“撞刀”故障。

經(jīng)過分析，該故障發(fā)生時的主要原因是控制砂輪進給和砂輪修整進給的數(shù)控系統(tǒng)老化所致。該數(shù)控系統(tǒng)由一百四十多塊印刷線路板（由分離電子元件構(gòu)成）組成，經(jīng)過二十多年的長期使用，許多線路板接插腳和參數(shù)設定撥碼開關(guān)接觸不良，故障率較高。

該系統(tǒng)僅有部分功能框圖，沒有詳細維修圖紙，僅有的一份功能框圖長期使用圖紙模糊，給機床維修帶來巨大困難，近年來最長一次故障停機時間長達兩個星期，嚴重影響凸輪軸的加工生產(chǎn)效率和合格率，需要對數(shù)控系統(tǒng)進行升級改造。

圖1　

3　改造方案

SCAM凸輪磨配置了兩個進給軸，一個是砂輪架進給軸，一個是砂輪修整器進給軸，兩個進給軸均是步進電機進給軸，砂輪修整器進給軸步進電機狀態(tài)良好，步進電機驅(qū)動器還有完好的備件，在綜合考慮了上述情況后，SCAM凸輪磨電氣控制系統(tǒng)的改造項目，數(shù)控系統(tǒng)選用西門子公司SINUMERIC 802S數(shù)控系統(tǒng)。改造方案結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

802S數(shù)控系統(tǒng)屬于西門子公司經(jīng)濟型、步進電機控制軸數(shù)控系統(tǒng)，無風扇、無硬盤，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。數(shù)控系統(tǒng)集成了機床操作面板（MCP），具有數(shù)控機床常用操作按鍵，外圍接線少，調(diào)試方便。該數(shù)控系統(tǒng)控制軸輸出信號為步進電機控制信號，這樣我們就可以保留備件齊全的砂輪修整器進給軸步進電機和驅(qū)動器，同時可以利用閑置的802S數(shù)控系統(tǒng)，減少改造工作量，大大降低改造費用。

4　改造措施

為節(jié)約成本，在該改造方案中要保留砂輪修整器進給軸日本VEXTA UD210 驅(qū)動器和步進電機，然而VEXTA UD210驅(qū)動器和西門子802S數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)動信號不匹配，802S數(shù)控系統(tǒng)控制軸輸出信號是：PLUS+/PLUS-、DIR+/DIR-、ENABLE+/ENABLE-即脈沖、方向、使能差動輸出，而VEXTA UD210驅(qū)動器需要的信號是：CW+/CW-、CCW+/CCW-即正反轉(zhuǎn)差動脈沖信號。

通過使用示波器觀察802S系統(tǒng)輸出控制軸信號波形，測出了PLUS+/PLUS-、DIR+/DIR-、ENABLE+/ENABLE-信號的邏輯關(guān)系，據(jù)此我們自己手動設計制作一個脈沖適配器進行驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換。通過脈沖適配器的轉(zhuǎn)換，802S數(shù)控系統(tǒng)控制軸的輸出信號就可以轉(zhuǎn)換成VEXTA UD210驅(qū)動器需要的信號。

根據(jù)設備需求，我們將西門子802S標準配置通過參數(shù)修改，將系統(tǒng)配置成機床要求的配置。并根據(jù)加工特點與設備維護，進行了部分設備改造與加裝。

4.1反向間隙補償

由于砂輪加工來回往復運動，在不同加工余量進行多次變速，還有凸輪軸的剛性。使得需求跟合理的間隙補償，而802S就有反向間隙補償。

在正間隙情況下（正常情況），實際編碼器值超前于實際值（工作臺）：工作臺不會移動的足夠遠。

在一個移動的機器部件與它的驅(qū)動裝置（如滾珠螺桿）之間進行動力傳動的過程中，一般會產(chǎn)生一個較小的間隙，因為將機械部件調(diào)整為沒有一點間隙將會導致嚴重磨損并將機器破壞。對于帶有間接測量系統(tǒng)的軸/主軸，機械間隙會將移動路徑破壞。 例如，在將運動方向反轉(zhuǎn)時，間隙的存在會使軸的移動量過大或過小。

為了對間隙加以補償，某個軸的實際值可在每次軸/主軸反轉(zhuǎn)運動方向時，通過間隙量進行校正。

4.2診斷功能

為了進行維護，控制裝置中集成了一個自診斷程序和一些測試輔助工具。操作員面板上將顯示以下部分的狀態(tài)：CNC和PLC以及PLC和機床之間的接口信號；變量；PLC位存儲器、定時器和計數(shù)器；PLC輸入和輸出。

為了進行測試，用戶可以設置輸出信號、輸入信號和存儲器位的組合。報警和消息也可提供寶貴的診斷信息。在維護顯示菜單中，可調(diào)用與軸和主軸驅(qū)動器有關(guān)的重要信息，如：絕對實際位置（僅限SINUMERIK 802C base line/802D/802D base line），位置給定值，跟蹤誤差（僅限 SINUMERIK 802C base line/802D/802D base line），速度設定值，實際速度值。

4.3報警和消息

零件程序中的報警與消息：我們對消息進行編程，以便在程序執(zhí)行過程中為操作員提供關(guān)于當前處理狀態(tài)的信息。

所有報警與消息都以普通文字的形式在操作員面板上輸出，并通過一個符號來指示清除標準。報警文字存儲在控制器中。來自機床的報警與消息可以普通文字的形式通過PLC程序顯示。狀態(tài)消息和故障消息有所不同。狀態(tài)消息可立即被清除，而故障消息總要得到確認?？刂破鲗缶蛳⒌捻憫蛇M行組態(tài)，而所需文本存儲在控制器中。

4.4原點返回方法

我們在砂輪軸與金剛輪軸都加裝了原點開關(guān)，松開緊急停止按鈕，啟動液壓后，按復位鍵。使手動按鈕和回零按鈕呈按下狀態(tài)，對砂輪軸X回零，按住+X（當X軸加裝的原點開關(guān)處于未觸發(fā)狀態(tài)），直到X坐標為零，界面上X位置出現(xiàn)回零燈，若中途松開按鈕，會出現(xiàn)警告框，此時按復位取消警告，可繼續(xù)進行操作，若X軸在啟動時正號停在原點開關(guān)觸發(fā)位置，則需要按手動脫開原點開關(guān)，然后再執(zhí)行回零操作。同樣方法對金剛輪軸Z回零。

我們將西門子802S數(shù)控系統(tǒng)安裝在原MF單元的控制箱上，減少了安裝工作量。保留了802S操作面板上操作方式切換鍵、循環(huán)啟動、停止鍵，大大方便機床維修工作。通過在MCP面板上設置的K12鍵，使得循環(huán)啟動可以人為控制，這樣就巧妙地實現(xiàn)了單獨頸磨削功能。新增手持電子手輪，比原機床固定電子手輪增加了修整器進給軸控制功能、手輪進給倍率功能，方便了零件加工調(diào)整。

5　改造效果

（1）項目實施完成后，經(jīng)過一個多月的使用，沒有出現(xiàn)過 “撞刀”故障，成功地解決了SCAM凸輪磨“撞刀”難題。達到了降低機床故障率，降低零件加工廢品率。排除了因“撞刀”造成的對設備和操作人員帶來的安全隱患，提高機床操作安全性能。（2）項目實施后，除了保留原系統(tǒng)具有的錐度補償、修整補償外，新增了單獨頸尺寸補償，提高了零件加工尺寸的一致性。（3）改造項目將數(shù)控系統(tǒng)由原來的硬件數(shù)控系統(tǒng)升級為計算機為核心的軟硬件結(jié)合的新型數(shù)控系統(tǒng)，避免了硬件數(shù)控系統(tǒng)長期使用后電路板插腳接觸不良造成的數(shù)控系統(tǒng)故障率高，維修困難的難題。新型數(shù)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)PLC I/O接口狀態(tài)監(jiān)控，使得維修更為便捷，從而降低設備故障停機時間。（4）成立了年輕同志的SCAM凸輪軸磨床電氣改造項目團隊，通過項目的實施，使得年輕同志掌握了西門子802S/C數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)配置技術(shù)、零件加工程序的編程、PLC程序設計。掌握了西門子PLC程序調(diào)試軟件的使用要求?，F(xiàn)在團隊中的年輕同志已經(jīng)掌握了該機床的維修技術(shù)，能夠獨立解決該機床出現(xiàn)的常見故障，提高了整個團隊的業(yè)務水平。

參考文獻：

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