凸輪軸磨床數控系統改造

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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凸輪軸磨床數控系統改造

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

【關鍵詞】砂輪修整器步進電機伺服軸報警診斷

1　概述

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

近年來，SCAM老凸輪軸磨床頻繁出現“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，即發生“撞刀”故障。

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

該系統僅有部分功能框圖，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效率和合格率，需要對數控系統進行升級改造。

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良好，步進電機驅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的改造項目，數控系統選用西門子公司SINUMERIC 802S數控系統。改造方案結構圖如圖1所示。

802S數控系統屬于西門子公司經濟型、步進電機控制軸數控系統，無風扇、無硬盤，結構簡單，可靠性高。數控系統集成了機床操作面板（MCP），具有數控機床常用操作按鍵，外圍接線少，調試方便。該數控系統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動器，同時可以利用閑置的802S數控系統，減少改造工作量，大大降低改造費用。

4　改造措施

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

通過使用示波器觀察802S系統輸出控制軸信號波形，測出了PLUS+/PLUS-、DIR+/DIR-、ENABLE+/ENABLE-信號的邏輯關系，據此我們自己手動設計制作一個脈沖適配器進行驅動信號轉換。通過脈沖適配器的轉換，802S數控系統控制軸的輸出信號就可以轉換成VEXTA UD210驅動器需要的信號。

根據設備需求，我們將西門子802S標準配置通過參數修改，將系統配置成機床要求的配置。并根據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動裝置（如滾珠螺桿）之間進行動力傳動的過程中，一般會產生一個較小的間隙，因為將機械部件調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：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，可調用與軸和主軸驅動器有關的重要信息，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，以便在程序執行過程中為操作員提供關于當前處理狀態的信息。

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。狀態消息和故障消息有所不同。狀態消息可立即被清除，而故障消息總要得到確認。控制器對報警或消息的響應可進行組態，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，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，對砂輪軸X回零，按住+X（當X軸加裝的原點開關處于未觸發狀態），直到X坐標為零，界面上X位置出現回零燈，若中途松開按鈕，會出現警告框，此時按復位取消警告，可繼續進行操作，若X軸在啟動時正號停在原點開關觸發位置，則需要按手動脫開原點開關，然后再執行回零操作。同樣方法對金剛輪軸Z回零。

我們將西門子802S數控系統安裝在原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，使得循環啟動可以人為控制，這樣就巧妙地實現了單獨頸磨削功能。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，方便了零件加工調整。

5　改造效果

（1）項目實施完成后，經過一個多月的使用，沒有出現過 “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）改造項目將數控系統由原來的硬件數控系統升級為計算機為核心的軟硬件結合的新型數控系統，避免了硬件數控系統長期使用后電路板插腳接觸不良造成的數控系統故障率高，維修困難的難題。新型數控系統可以實現PLC I/O接口狀態監控，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數控系統系統配置技術、零件加工程序的編程、PLC程序設計。掌握了西門子PLC程序調試軟件的使用要求。現在團隊中的年輕同志已經掌握了該機床的維修技術，能夠獨立解決該機床出現的常見故障，提高了整個團隊的業務水平。

參考文獻：

［1］巫世晶.設備管理工程.北京:中國電力出版社，2005.

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［3］楊林建.機械設備自動化改造.北京:北京理工大學出版社，2008.

［4］柴娟，陳海霞.西門子PLC編程技術及工程應用.北京:機械工業出版社，2006.