金屬銑削加工中第四軸數控改造

薄關鋒，孫 朋，孫金隆

（許昌職業技術學院，河南 許昌 461000）

1 研究目的

隨著設備更新換代的加快，金屬零件更新變化的速度同步加快。在金屬銑削加工復雜零件時，對四軸及以上的加工設備需求不斷提高，并呈現逐年升高的趨勢。目前國家政策已向高端數控技術上傾斜，第四軸數控改造適應時代發展。從數控改造的國情分析：從社會角度看，企業的機床等金屬加工設備全部升級換代為高端數控機床不是一蹴而就的，需要考慮各方面的因素；其次從國力提升角度看，數控技術與西方發達國家還存在差距，向高端的數控化改造方向努力是縮小這個差距的一個極好的途徑。因此，以提升單位或集體的數控化加工水平為導向，以提高金屬產品的精度及質量為目標，使用數控相關的支撐技術﹑配套技術﹑控制技術等進行數控改造，推動我國制造業飛速發展。在數控改造方面，要把現有數控化水平和最終用戶需求緊密結合，以最經濟的方式實現數控產品的更新為目標，大力發展數控新技術。

2 數控系統設計

2.1 數控系統整體設計

數控機床與計算機技術的發展緊密相關，是用數字化程序實現的自動化機床，同時還綜合了現代很多技術，如：精密檢測﹑精密制造﹑自動控制﹑金屬切削等。數控機床的組成和計算機相似，主要可以分為硬件部分和軟件部分。硬件有數控裝置﹑可編程控制器﹑主軸控制單元及伺服單元等，軟件有數控系統軟件﹑數控程序﹑PMC程序等。本文對第四軸數控改造設計，是在原有VDL-600型三軸數控加工中心FANUC系統基礎上進行研究的。VDL-600型數控加工中心使用的是FANUC的Oi-MB數控系統。考慮經濟成本及四軸聯動技術要求，主要處理好以下幾方面：

（1）交流伺服驅動系統與回轉工作臺的合理連接，實現準確回轉控制。為使兼容性更好，要解決好伺服電機與伺服驅動器之間的控制問題，以及伺服結構選擇，伺服控制方式的選擇等問題。

（2）原數控系統軟件為FANUC，版本型號為Oi-MB，如果重新設計數控系統，增加不必要的時間，最重要的是效果也沒有原來的好，改變了原有系統的格局。

（3）原有數控裝置是把PLC內嵌入系統核心，雖然設有部分的輸入點和輸出點，但是內部結構不明確，在設計中要解決好如何控制回轉工作臺。本文伺服電機帶動的回轉工作臺由PMC程序進行協調控制。PMC是可編程序機床控制器(Programable Machine Controller)的英文縮寫，是數控機床數控系統軟件中的核心部分。PMC與PLC很相近，主要專用于機床，即可編程序機床控制器。PMC程序的合理高效與否，直接決定了數控機床改造后的性能是否正常，能否滿足加工對改造的需求。如果PMC設計不合理，機床就無法正常穩定運行，可能故障不斷，甚至出現死機現象；

（4）PMC程序的設計，I/O地址設定，輸出模塊地配置。

2.2 伺服系統

2.2.1 FANUC β交流伺服的控制模式選擇

選擇系統控制模式時，可在位置﹑速度﹑轉矩，及三種方式之間的切換中選擇[1]。這也給不同的數控需求控制提供了方便。下面介紹三種基本模式，可根據需要自由組合使用。

（1）位置控制模式：

因為是數字式，控制電機的信號主要是高速脈沖形式的，分辨率高達30000以上。或者根據機械情況，從兩種模式中進行選擇。即使輸入信號突然變化，也能夠正常的啟動和停止。增益可以根據機械的情況自動地設置。伺服放大器中可以設置最大輸出轉矩值，通過保護電路，從而保護功率器件，在數控加工中出現超速和過流的情況下也不會損壞。

（2）速度控制模式：

伺服電機的速度和方向在實現高精度的控制時，采用參數中設定和特定指令相結合方式共同實現。實現伺服鎖定如自啟﹑停止等，對模擬量速度指令偏置調整。

（3）轉矩控制模式：

參數中設定和特定指令共同控制。負載過小時，將引起電機速度過高，可以在內部設定好最高速度。

2.2.2 FANUC β交流伺服角位置傳感器

為了提高系統性能，結合數控機床加工金屬零件時對回轉的要求，伺服系統中需要高精度的位置和速度傳感器來檢測電機的位置和速度，使用速度和位置閉環反饋。采用光電編碼器,既可測量位置又可測量速度。

2.2.3 小結

綜上所述，伺服系統確定為，伺服放大器選擇FANUC ? i系列，鎖緊電磁閥和壓力開關選擇SMC系列，工作電壓為AC110V，壓力開關選擇SMC系列，接近開關選擇工作電壓為DC24V，根據接口類型配置數據線，光纖長度根據現場環境初始可設10m﹑伺服電機連接線為動力線﹑伺服電機編碼器線長度根據現場環境初始可設10m，制動組件根據功率等初始可設一套﹑中間繼電器主要參數DC24V初始可設一套，及其它相關配套設備。

2.3 PLC控制系統

2.3.1 PMC程序編制

（1）PMC概念

FANUC系統中的PMC程序可以在CNC系統上直接編寫，或者用軟件在計算機上編好后，傳送到PMC單元中。FANUC 0i系統改造時，是采用第一種方式直接在PMC的F-ROM內編寫的，后面有詳細的操作步驟。

（2）PMC的程序結構

在FANUC系統中，PMC的程序結構有5級，分別是第一級程序，第二級程序﹑第三級程序﹑子程序，結束[2]。其中第三級程序依據PMC的種類設定，根據需要可省去。PMC程序執行流程，每一個掃描周期為8ms，總的程序運行時間為n＊8ms。程序執行時先掃描第一周期，其次是第二周期。如果第一周期的時間大于8ms，將會增加分割的次數，加大掃描周期，不利于程序控制；第二周期的時間大于8ms，將會被n等分，這樣總的周期為n＊8ms，這是最合理的程序。在一些Fanuc系統中還有第三程序，執行原理同上。可編寫子程序，把復雜程序簡化（見圖1）。

圖1 PMC程序執行流程

（3）信號處理

一級程序在進行信號處理的時候執行速度是最快的，一般可直接讀取。二級程序對于信號的處理不能直接讀取，還要經過中間存儲器。編程時可通過壓縮第二程序的長度，從而減少掃描的頻率，達到提高程序響應時間的目的[3]。

（4）梯形圖設置

進入F-ROM后，修改梯形圖，查找數據參數K8.4并設定為1，對第4軸各種功能設置，如方向﹑手動﹑分開等。

2.3.2 I/O地址設定

在數控機床上，主要有兩種應用信號地址：內部地址，如G功能﹑F功能等；外部地址，如冷卻液信號的打開﹑關閉等。PMC執行I/O端口數據時，在LADDR程序的邏輯控制下，一種傳輸給NC，用于輔助程序運行，另一種傳輸給外部執行單元，用于輔助機床加工。I/O中有一種高速處理信號[4]，經由特殊地址通道，跳過PMC單元傳入CNC，執行速度快。LINK串行總線是CNC和I/O單元的通道，連接著主控端和從控端。因為CNC只有一個，I/O有多個時用組來劃分。第0組距離主控端最近，根據跟離組數逐漸增加。數控系統的最大輸入輸出點數為都為1024，有16個從控端，16組I/O單元。FANUC Oi MB的CNC中，有內置的I/O卡，實現各種輸入輸出的擴展。第四軸的數控改造，地址是在I/O卡內進行相關設置的。在本次數控改造中控制單元內置的I／0卡，其輸入點/輸出點為64/36。根據機床I／0分配表，準確確定LINK連接方法。當連接好硬件，查看各個I/O單元是否識別外部輸入信號，方法為找到每個模塊Xm和Yn。設置確定m和n，進行I/O單元的軟件設定或地址分配。第四軸需要使用到三個模塊：第一模塊機床操作面板中的手輪C軸控制，第二模塊分線盤中的PMC和CNC通道，第三模塊I/O unit-C的數控回轉臺的信號控制。確定出在I/O中每一組對應的起始地址。以上工作完成之后，進行實際的設定操作。按實際的組號和定義依次設定輸入輸出地址，設置I/O模塊的基座號為0，設置槽號為1。注意事項是，設定I/O UNIT-C部分時，設置槽模塊上的名稱為槽的名稱。同時，輸入和輸出是在一個硬件模塊上，區分出模塊上輸入部分和輸出部分，再分別設定好數值[5]。

2.3.3 FX2N脈沖輸出模塊的配置

脈沖輸出模塊為可第四軸的輸出模塊，進行高速高精度定位。在對伺服電機進行位置控制時，為了達到數控程序指定位置，通過FX2N-10PG單元實現。具體可以使用FROM/TO指令，連接FX2N單元和PMC的相應部分[6]。

3 機床的調試

3.1 PMC參數的設定

設置定時器時，48ms定時器，SA1范圍1～8，SB7范圍為1～8；8ms定時器，SA1范圍9～40，SB7范圍為9～488。數值一般為整數，設置為其他數據類型時，將會自動取整，消除余數。計數器的設置方法和定時器相同，參照設置。保持型繼電器的優勢在于具有斷電保持性，數據不會丟失。PMC系統軟件參數占用K17～K19，一般使用在功能開啟的情況。SA1-20個，SB7-100個，數據表在設置時主要有兩個基本畫面，數據表控制數據和數據表，這兩個方面都要設置好。數據表控制里對數據表設置相關組的數值，如數據的類型長度，添加組的個數﹑組里面的地址和數量，能進行賦值操作等。

3.2 PMC診斷

完成參數的正確設定之后，進入PMC的診斷功能，進入狀態監控畫面，結合機床運動狀態，檢驗前面設定信號是否正確。調試時出現允許的外部報警時，可以強制輸入一些有效信號，暫時屏蔽報警信號，完成調試。依次操作SYSTEM/PMC/PMCDGN/STATUS。信號的強制[7]：一般來說，有兩種方法進行操作。普通強制設定：輸入信號不在I/O LINK范轉內時，輸出信號（G等）和PMC掃描沖突﹑不工作時，使用此種方法。有一種特殊情況，不能進行任何強制操作，NC的輸出信號F。根據以上對信號強制的分析，本次設計選擇自鎖強制設定，依次操作YSTEM/PMC/PMCPRM/SETING。因為第四軸C作為外部輸入信號,在I/O LINK的設定范圍內，無論輸出信號處于什么情形，都可以設置自鎖強制。在普通強制里設定則無效果。具體設置時，“〉”右邊的是強制輸出的狀態，以此來診斷第四軸改造的正常與否，左邊的是外部信號的狀態。

3.3 速度的建立

以上各種設置建立好后，機床第四軸的運行的速度可以進行優化，滿足金屬零件加工時的各項需求。在參數中設置好速度值，結合PMC中關于速度輸出的倍率控制，確定實際的速度輸出值。在確定手動方式的速度時，處理系統中手動進給倍率%（G10，G11），確定NO.1423參數，兩者相乘。ST為循環啟動信號，其為下降沿有效；F102#0～#3為軸移動信號，F104#0～#3為軸到位信號。PARAM的1601參數中（一般在#5下），NCI為減速時的到位檢查信號，0表示執行，1表示不執行。軸的運行方向信號參數為F106#0～#3，它在停止運行前，保持上一次的運動方向，0表示正向，1表示負向。循環暫停信號為＊SP，保持為“1”時表示程序運行中。F000參數中，OP表示自動運轉，STL表示自動運轉中啟動，SPL表示自動運轉中停止。機床工作在自動運轉方式時，利用這些不同的運行狀態反饋，更加便于維修和維護。

4 結語

本文以大連機床廠生產的VDL-600型三軸加工中心為研究對象，通過加設回轉工作臺的方法，對三軸聯動數控機床進行多軸化改造進行了電氣控制方面的設計。修整好PMC的控制系統的輸入輸出信號﹑梯形圖，I/O地址﹑脈沖模塊，調整好PMC參數﹑診斷﹑速度，就可以順利達到第四軸電氣控制的設計要求。本次設計雖然不能覆蓋所有數控系統第四軸的數控改造，但選取的系統是市場上占很大比例的Fanuc系統，具有很強的實用意義，對其它數控系統的改造也有很大的借鑒參考價值。