國產藍天數控系統在機床升級改造中的應用

吳天馳,劉本剛,2,金光云

(1.航空工業沈飛數控加工廠，遼寧 沈陽 110034；2.中國科學院大學,北京 100049)

0 引言

某型進口三坐標立式銑床，原裝系統為GE FANUC15MBE數控系統。由于機床電氣系統老化問題嚴重，機床完好率和加工精度不斷下降，無法滿足高精度、高效率和信息化管控的生產要求。同時，原裝系統已停產，備件采購困難。因此，在分析機床實際工況的基礎上，從提高機床加工精度和穩定性、降低維修成本等方面考慮，采用國產高精藍天GJ330數控系統替換原裝進口系統。本文在介紹高精藍天GJ330數控系統特點和功能的基礎上，詳細闡述了機床改造過程中數控系統的主要調試步驟、參數整定注意事項和基于系統嵌入式PLC設計并實現安全自動松、夾刀功能的邏輯方法，最后結合機床進給傳動結構機械特性，解決了螺距補償功能，改善了機床零件的加工精度和一致性，提高了機床輔助功能的自動化水平和加工效率。

1 高精藍天數控系統

GJ330是一款通用性強、配置靈活的國產中高檔數控系統，具有以下多種特性：標準配置6軸4聯動，可擴展最多支持10軸，實現6軸聯動；支持總線式伺服驅動單元，配套12英寸彩色液晶顯示屏；采用100 Mb/s傳輸速率的SSB3高速同步串行通訊總線，PLC基本指令處理時間為1 μs/step，具有雙向螺距誤差補償、反向間隙補償、刀具長度和半徑補償功能[1]。

2 數控系統國產化改造方案

2.1 系統架構與總線連接

根據現場加工需求，結合機床當前機械特性和電氣性能，綜合考慮經濟性，數控系統國產化改造方案具體采用GJ330數控系統和伺服驅動系統，但保留機床原主軸和各進給軸伺服電機。圖1為GJ330數控系統的架構和總線連接示意圖。數控系統與驅動系統之間基于SSB3高速同步串行通訊總線通信，基于數控系統自帶的PLC系統，實現機床全數字運動控制和外圍輔助功能自動控制，提高了機床的自動化控制水平。

圖1 GJ330數控系統架構和總線連接示意圖

2.2 參數設定

數控系統參數設定是系統調試過程中的重要過程，包括驅動器參數和機床參數。其中驅動器參數直接決定機床的運動特性和加工精度，參數整定值由機械特性和加工工況決定。機床參數影響機床的基礎功能、加工狀態顯示、操作習慣、測量系統等，其參數設定值由機床硬件配置和加工需求決定。具體參數調節過程如下。

2.2.1 驅動器參數設定

根據所選電機的類型和驅動器型號，以及對機床的平滑運行和高速定位等要求設定相關參數。其中，進給軸驅動(型號為GJS-075BDA)參數設定的主要目的是匹配電機和負載，在滿足機床平穩運行的情況下，盡量提高機床的動態響應。如PN00控制方式的選擇，通過位置脈沖指令對機床進行位置控制。以X軸為例，PN05和PN06分別定義為速度環比例增益參數和速度環積分增益參數，適當增大這兩個參數，能夠進行響應特性更高的速度控制，但是受機械特性的制約，參數過大會產生抖動或電機噪聲；PN15為位置環比例增益參數，這個值越大，位置控制的響應特性越高、偏差值越小，但是受到機械特性的制約，應在滿足運行穩定的前提下增大這個數值；PN22為位置誤差限定范圍，該參數用來設定檢查位置超差報警(ER12)的脈沖計數范圍，該值設定過小，在高速運轉時容易出現位置超差報警(ER12)，該值設置過大就失去了位置誤差檢測的意義。

驅動參數直接決定各運動軸的動態特性，而且與機械特性和負載相關，因此該參數的設定值通常是通過分析實際運動響應并反復優化而確定的滿足加工需求的合理值[2]。基于鈦合金加工性能要求，該機床經過多輪參數優化后，各軸的驅動參數設置如表1所示。

表1 部分驅動參數整定值

2.2.2 機床參數設定

GJ330數控系統允許用戶配置基礎參數、常規參數、機床參數、主軸參數和用戶參數等，正確配置這些參數是機床正常加工的前提，應根據系統廠提供的技術說明書，結合機床實際狀態進行設置。部分重要參數設置過程如下：

(1)機床包含X、Y、Z三個插補軸，參數0100(CNC軸數量)設置為3，參數0101(CNC控制軸名稱)設置為XYZ。

(2)機床各軸的回零撞塊位于各軸的正向末端，采用增量式光柵尺，參數0227(回零方向)設為1(正向)，參數0109(手動回零模式)設為1(每次開機要重新回零)，參數0132(手動回零方式)設為0(開關+MARK)，參數0216(位置反饋編碼器類型)設為1(增量式位置傳感器)。

(3)參數0202是定義軸類型的參數，共8位，各位置1有效，機床進給軸的類型是“具有螺距補償，使用直線編程的線性坐標軸”，則各位定義及設置見表2。

表2 參數0202各位定義及設置

3 PLC功能設計及實現

由于原數控系統PLC的輸入輸出模塊接口數量有限而且擴展困難，大部分機床外圍輔助功能的控制通常由外部單獨的邏輯模塊實現，導致PLC系統無法獲取外圍設備的底層數據和故障信息，當故障發生時無法支持機床進行快速診斷和故障定位。為提高機床的自動化水平和可靠性，基于國產數控系統自帶的PLC功能實現外圍輔助功能的自動控制具有必要性。藍天GJ330數控系統的PLC系統具有豐富的輸入輸出接口、完善的邏輯指令以及信息顯示、在線監控等功能，為原機床外部輔助功能邏輯完善和人機交互性能的提高提供了有利平臺。

以機床的抓刀/松刀控制邏輯的設計與完善過程為例，本文提出了基于安全的松刀邏輯控制策略，當PLC系統接收到松刀指令后，確認機床已上電并且無急停等報警信號，當前工作模式是手動模式，并監視主軸當前沒有運動指令且停止信號已到達，此時打開松刀閥并啟動液壓站工作，直到松刀到位信號到達，則關閉松刀閥和液壓站。上述松刀執行過程中，若PLC系統監測到任何異常信號或機床復位信號都將終止松刀動作，同時發出相關提示信息或故障信息。基于高精GJ330系統設計的抓刀/松刀的部分邏輯如圖2所示。其中的“機床復位信號”和“機床下電信號”，避免松刀電磁閥因為長時間通電而損壞。該邏輯設計策略不但提高了機床松刀過程的安全可靠性和自動化水平，還針對典型頻繁故障增加了人機交互式接口信息，便于機床維護[3]。

圖2 自動抓刀/松刀邏輯設計圖

4 機床的螺距誤差補償

高精GJ330系統的螺距補償功能是根據機床各軸的行程，按照遞增的順序設定指定定位點對各軸進行雙向螺距補償，且依據機床的實際情況選取補償間隔，可以選用不等間距。本機床已經交付使用達22年之久，由于進給軸在中間位置的磨損較邊緣位置的磨損更加嚴重，致使光柵尺在中間位置的精度較其他位置的精度低，因此，選擇補償間隔時在機床各軸的邊緣位置取點間隔較大，在磨損較大的中間行程位置所取的補償間隔較小。以X軸為例，機床全程共2 800 mm，在-2 800～-2 200以及-600～0行程的補償間隔為200 mm，在-2 200～-600行程的補償間隔為50 mm，這樣既保證了補償精度又可以有效提高補償工作效率。

對機床進行螺距補償后要對機床的實際定位精度進行檢驗，為保證檢測精度的嚴謹，在選取測量間隔時應盡量區別于螺距補償間隔，即避免補償點坐標和檢測點坐標重復點過多，表3展示了機床各軸在改造前后的關鍵精度數據，可以看到機床各軸的精度顯著提高。

表3 螺距補償表

5 結論

經NAS標準件試切合格后，國產數控系統替換后的機床已投入飛機結構件正式加工中。實踐證明：改造后的機床操作方便，性能穩定，機床加工精度滿足航空結構件的加工需求。同時，國產系統具有更豐富的數據接口，不但提高了人機交互性和自動化水平，而且解決了機床與數字化車間的聯網功能，實現了機床的遠程監控，此次改造升級的成功，為今后老舊系統機床的升級改造提供了另一種經濟、穩定的選擇，具有一定的借鑒意義。