基于FANUC 0i-TF數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)心磨床砂輪恒線速控制

■無(wú)錫機(jī)床股份有限公司 （江蘇 214000） 李 毅

無(wú)心磨床在磨削加工過(guò)程中，砂輪恒線速的精確控制對(duì)穩(wěn)定工件的加工精度和表面粗糙度有著至關(guān)重要的影響，為了充分發(fā)揮并提升無(wú)心磨床的加工控制能力，必須探求最新數(shù)控系統(tǒng)在磨床中的實(shí)施。FANUC 0i-TF數(shù)控系統(tǒng)是日本FANUC公司的新一代先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，擁有能夠進(jìn)行納米單位精密運(yùn)算的伺服技術(shù)。本文以MK1050A-CHL無(wú)心磨床為例，介紹了應(yīng)用FANUC 0i-TF數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)心磨床砂輪恒線速控制的3種方法。

1.機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及電氣部件設(shè)計(jì)

無(wú)心磨床MK1050A-CHL的砂輪安裝在砂輪主軸上，如圖1所示。砂輪主軸的一端裝有直徑為DA的皮帶輪A。砂輪電動(dòng)機(jī)端裝有另一個(gè)皮帶輪B，直徑為DB。砂輪主軸由砂輪電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)。皮帶輪B為驅(qū)動(dòng)輪，皮帶輪A為從動(dòng)輪，兩個(gè)皮帶輪的線速度一致。

砂輪電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選用國(guó)產(chǎn)YX3-160L-4-B3型，功率P=15kW，額定轉(zhuǎn)速nD=1 470r/min，380V/50Hz的電動(dòng)機(jī)。該電動(dòng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器選用施耐德ATV312型變頻器，電路圖如圖2所示。AI1和COM端子間輸入0～10V的模擬量電壓，由此對(duì)砂輪電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。LI1和+24V端子用來(lái)控制砂輪電動(dòng)機(jī)的起停。

圖1 砂輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)1.皮帶輪A 2.皮帶 3.皮帶輪B 4.砂輪電動(dòng)機(jī)

2.實(shí)現(xiàn)無(wú)心磨床砂輪恒線速控制的三種方法

（1）方法一：利用FANUC系統(tǒng)自帶的模擬主軸控制功能，通過(guò)NC程序賦值，并將接口JA40的模擬量電壓信號(hào)接入變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)砂輪的恒線速控制。

首先設(shè)定相關(guān)參數(shù)。由于砂輪電動(dòng)機(jī)選用的是額定轉(zhuǎn)速為nD，380V/50Hz的電動(dòng)機(jī)。將變頻器ATV312中的參數(shù)“最高頻率”設(shè)置成100Hz，當(dāng)輸入到變頻器中的模擬量電壓為+10V時(shí)，砂輪電動(dòng)機(jī)將以100Hz頻率運(yùn)行，即以轉(zhuǎn)速2nD運(yùn)轉(zhuǎn)?？紤]到砂輪主軸與砂輪電動(dòng)機(jī)間存在DB：DA的減速比，將FANUC系統(tǒng)中參數(shù)No.3741、No.4020設(shè)置成nm。（主軸電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速nm=2nDDB/DA）。

No.3741=nm，指令電壓為10V時(shí)的低速齒輪的主軸轉(zhuǎn)速。

No.4020=nm，主軸電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。

No.8133#5=1，參數(shù)SSN，設(shè)1表示模擬主軸，不使用主軸串行輸出。

No.3717=1，參數(shù)ISI，設(shè)1表示使用連接1號(hào)放大器上的主軸。

No.3716#0=0，參數(shù)A/Ss，設(shè)0表示主軸電動(dòng)機(jī)的種類為模擬主軸。

No.3735=0，最小鉗制速度。

圖2 砂輪電動(dòng)機(jī)控制電路

圖3

No.3736=nm，最大鉗制速度。

No.4056=100，傳動(dòng)比，100表示1∶1。

No.3706#6=1，No.3706#7=1，確定主軸速度指令輸出極性。

NC程序編寫如下：

%

O022

N10 #520=#702*60*1000/3.14/#638

N20 M03 S#520

N100M30

%

宏變量#702表示砂輪恒線速速度，由用戶根據(jù)加工工藝要求設(shè)定。

宏變量#638表示砂輪當(dāng)前直徑，隨著砂輪修整動(dòng)作的執(zhí)行，砂輪當(dāng)前直徑會(huì)隨修整量變化。

宏變量#520表示當(dāng)前砂輪主軸轉(zhuǎn)速，運(yùn)算得出。

PMC程序編寫如圖3所示。

在PMC程序中，R9091.1是長(zhǎng)通信號(hào)，G30表示主軸倍率。將G30設(shè)置成100，表示主軸倍率固定為100%。若主軸倍率可調(diào)，極易造成砂輪線速度超速，引發(fā)砂輪炸裂，那是非常危險(xiǎn)的。G29.6設(shè)1表示主軸運(yùn)行。

設(shè)置完成后，接通變頻器的啟動(dòng)端，砂輪即按設(shè)計(jì)運(yùn)算要求的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。此種方法利用系統(tǒng)自帶端口，無(wú)需增加成本，程序編寫方便。但每次機(jī)床開機(jī)運(yùn)行，都必須先加載運(yùn)行一遍NC程序中的模擬主軸轉(zhuǎn)速賦值程序，不然砂輪無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）方法二：利用FANUC系統(tǒng)自帶的模擬主軸控制功能，通過(guò)PMC程序賦值，實(shí)現(xiàn)砂輪的恒線速控制。

針對(duì)方法一的不足之處，改進(jìn)控制方法。仍然使用接口JA40引模擬量電壓信號(hào)接入變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，但采用PMC控制主軸旋轉(zhuǎn)。這種方法不需要通過(guò)NC程序賦值，直接通過(guò)PMC程序賦值，從而實(shí)現(xiàn)砂輪的恒線速控制。機(jī)床開機(jī)運(yùn)行，不必先運(yùn)行一遍NC程序中的模擬主軸轉(zhuǎn)速賦值程序，砂輪即可運(yùn)轉(zhuǎn)。

所有恒線速的運(yùn)算都將在PMC程序中執(zhí)行。用戶對(duì)砂輪線速度的設(shè)定要求通過(guò)宏變量參數(shù)#702輸入，砂輪當(dāng)前直徑也存放在宏變量參數(shù)#638中。我們首先要將相關(guān)宏變量參數(shù)讀入PMC程序地址中。編寫如圖4所示PMC程序。

將宏變量參數(shù)#702和#638中的數(shù)據(jù)分別讀入D470和D360中。

查閱PMC模擬主軸控制的相關(guān)手冊(cè)得知，主軸接口JA40模擬量輸出地址中的數(shù)值與模擬量模塊輸出到變頻器ATV312中的電壓成正比，且模擬量輸出地址中的最大數(shù)值Km設(shè)定為4095。故當(dāng)定義的模擬量輸出地址為4095時(shí)，模擬量模塊輸出到變頻器ATV312中的電壓為+10V。與方法一相同，將變頻器ATV312中的參數(shù)“最高頻率”設(shè)置成100Hz，該變頻器收到來(lái)自JA40口的輸出電壓+10V時(shí)，砂輪電動(dòng)機(jī)將以100Hz頻率運(yùn)行。此時(shí)模擬量定義輸出地址D565中的數(shù)值KD565可由以下公式運(yùn)算得出：

式中：VA為砂輪線速度，單位為m/s。該參數(shù)由用戶根據(jù)實(shí)際加工工藝需要，自行設(shè)置；dA為當(dāng)前砂輪的直徑，單位為mm；DA為砂輪主軸端皮帶輪直徑，單位為mm；DB為砂輪電動(dòng)機(jī)端皮帶輪直徑，單位為mm；Km為模擬量輸出地址最大值。

從上可知，當(dāng)用戶根據(jù)生產(chǎn)工藝需要確定了砂輪線速度以后，若能及時(shí)準(zhǔn)確地確認(rèn)當(dāng)前砂輪的實(shí)際半徑，即能確認(rèn)模擬量定義輸出地址D565中的數(shù)值，從而才能實(shí)現(xiàn)砂輪磨削線速度的恒定。要特別注意的是PMC控制主軸旋轉(zhuǎn)方式時(shí)，倍率G30是無(wú)效的。

圖4

如圖5所示，主軸電動(dòng)機(jī)速度指令選擇信號(hào)是G33.7：置0表示CNC控制；置1表示PMC控制。主軸電動(dòng)機(jī)速度指令極性指令信號(hào)是G33.6，置0表示控制方向是NC指定；置1表示PMC指定（即G33.6=1時(shí)，G33.5才生效）。G33.5可以切換旋轉(zhuǎn)方向。G32.0～G33.3一共12位，在其中賦值PMC值D565。當(dāng)G33.7、G33.6和G33.5都為1時(shí)，值為57344。在PMC程序中執(zhí)行雙字節(jié)運(yùn)算，將D565與57344相加再賦值給G32。

由此編寫PMC程序如圖6所示，同樣需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

No.8133#5=1，參數(shù)SSN，設(shè)1表示模擬主軸，不使用主軸串行輸出。

No.3717=1，參數(shù)ISI，設(shè)1表示使用連接1號(hào)放大器上的主軸。

No.3716#0=0，參數(shù)A/Ss，設(shè)0表示主軸電動(dòng)機(jī)的種類為模擬主軸。

No.3735=0，最小鉗制速度。

No.3736=Km，最大鉗制速度。

No.4056=100，傳動(dòng)比，100表示1∶1。

此種方法也是利用系統(tǒng)自帶端口，無(wú)需增加成本。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)PMC程序，砂輪隨時(shí)可以恒線速運(yùn)轉(zhuǎn)，使用方便。

（3）方法三：利用FANUC系統(tǒng)的模擬量模塊，實(shí)現(xiàn)砂輪的恒線速控制。當(dāng)機(jī)床需要多個(gè)模擬量輸出時(shí)，系統(tǒng)自帶的唯一一個(gè)模擬主軸口肯定是不夠用的，這就需要增加一個(gè)模擬量模塊。此處設(shè)計(jì)選用12位模擬量輸出模塊ADA02A（A03B-0826-J052）。

在使用前需要在系統(tǒng)中分配地址。該模擬量輸出模塊是一塊雙通道輸出模塊，雖然每個(gè)通道均是12位的，但仍需要為其分配四個(gè)字節(jié)的地址。地址從Y40開始，如圖7所示。

查閱模擬量輸出模塊ADA02A手冊(cè)得知，當(dāng)設(shè)定模擬量最大輸出值為+10V時(shí)，模塊內(nèi)部定義的模擬量輸出值為Km=2000。同理可用方法二中KD565的公式求得模擬量定義輸出地址D565中的數(shù)值。

圖5

圖6

圖7 模擬量輸出模塊ADA02A地址分配

應(yīng)用PMC程序同樣需要先將宏變量參數(shù)#702（砂輪線速度）和#638（砂輪當(dāng)前直徑）中的數(shù)據(jù)分別讀入D360和D470中，并在PMC程序中按以上公式進(jìn)行運(yùn)算（編程方法已經(jīng)在方法二中具體描述過(guò)了，不再?gòu)?fù)述）。將D565中的運(yùn)算值KD565傳入Y40。即可通過(guò)模擬量輸出模塊ADA02A的第一通道，對(duì)砂輪進(jìn)行恒線速控制。編寫如圖8所示PMC程序。

此種方法需要增加一個(gè)模擬量模塊，成本較高。但需要使用多路模擬量控制時(shí)，就必須使用此方法。同樣，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)PMC程序，砂輪隨時(shí)可以恒線速運(yùn)轉(zhuǎn)，使用方便。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)際使用表明，使用這三種砂輪線速度控制方法的砂輪的跟隨性均非常好，產(chǎn)品加工尺寸穩(wěn)定，能保證加工工件表面的粗糙度一致性且效果明顯。

圖8

（2）根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能的需求，可以從上述方法中選取相應(yīng)的方法。方法二，也就是PMC控制模擬主軸恒線速控制法，目前已在無(wú)心磨床MK1050A-CHL、MK1050A-ETJ6的設(shè)計(jì)制造中運(yùn)用。實(shí)踐表明使用很方便，成本低，精度高，值得推廣使用。