DCI11缸盖加工中心的控制系统分析

2014-03-06夏超国赵明炯

机电信息 2014年12期

夏超国赵明炯

（湖北工业职业技术学院机电工程系，湖北十堰 442000）

1 加工中心数控系统的控制原理

1.1 缸盖加工中心FANUC 16i-MB系统的特点及组成

DCI11缸盖4台加工中心的数控系统采用的是FANUC 16i-MB系统，这类系统最多可控制8轴，可实现5轴联动。它以超小超薄型为主要特点，CNC控制部分与伺服驱动器之间采用了新开发的50 Mbps高速数据传送串行总线，两者之间只用2根光缆相接。采用小型I／O模块控制机床的I／O信号，使电控制部分的电缆减少到以往的1／3。系统带有高速PMC，基本指令的执行时间为0.1μs，梯形图最大可达24 000步。它还具有“在线用屏幕功能”，使16i／18i系列能用做以太网（Ethernet）的终端。操作者可以随意从主计算机中调出加工图形、制造文件、加工参数及程序等，还可以向计算机传回CNC机床的加工状态，以进行加工管理，提高生产效率。

缸盖加工中心上可实现X、Y、Z轴3轴联动。FANUC 16i-MB系统主要由CNC主板、伺服电源单元、伺服放大器、主轴电源单元、主轴放大器单元、I／O 单元、MDI／CRT单元等组成。

图1 各轴伺服电源与各轴伺服放大器连接框图

1.2 缸盖加工中心FANUC 16i-MB系统电气控制原理

该加工中心控制系统主要可分为辅助功能系统和伺服控制系统，前者由PMC控制，PMC控制的是通过JD1B与外置的I／O的JD1A电缆连接通信。执行元件一般为传感器、电磁阀、普通电机，如冷却液、排屑、工作台的夹紧、松开、ATC的旋转等。后者作为伺服部分，该加工中心共有3个伺服电源模块和3个伺服放大器模块。电源模块U-PUS1及伺服放大器模块U-SCR1提供主轴的电源及主轴的伺服电机控制。设备运行启动准备信号CR-2AP与主轴电源模块U-PUS1的CX4相连，给主轴发出运行准备允许信号。

图1中电源模块U-PSU2为X、Y轴提供电源，伺服放大器U-SVU1、U-SVU2分别控制X、Y轴的伺服电机。当NC电源接通，延时继电器TR-1AP的触点与电源模块U-PSU2的CX4相连，延时1 s，保证在NC启动正常的情况下电源模块 U-PSU2接通。另一个电源模块U-PSU3为Z、B轴提供电源，伺服放大器U-SVU3、U-SVU4分别控制Z、B轴的伺服电机。伺服电源模块电源由外部AC200 V R1、S1、T1三相电源供给，通过电源模块整流滤波等处理为DC600 V左右电源输出，经P、N电缆连接到伺服放大器供给其工作。伺服电机及光栅尺均通过光缆直接反馈到伺服放大器上，从而控制各轴的伺服电机的位置、速度运动及反馈。

1.3 FANUC在线 UPS

在DCI11缸盖每台加工中心的数控系统中，分别在主轴放大器，X、Y 轴放大器，Z、B 放大器模块上均连接了一个FANUC专用的在线UPS（不间断电源）；共有3个BACK UP MODULE储能模块，每个BACK UP MODULE模块由整流器和逆变器、电源单元及2个25 000μF的大功率电容组成；在异常停电时分别给主轴伺服系统，X、Y轴伺服系统，Z、B伺服系统供电。其主要作用是当设备异常停电时，及时保护主轴防止打刀。

该加工中心上所用的FANUC专用在线UPS跟一般的UPS相比，其不同主要表现在大功率和快速性上，此UPS容量可达5～10 k VA，2个大电容容量均为25 000μF，中断转换时间仅为T≤150μs。一般计算机上用UPS中断转换时间为T≤4 ms，当发生突然停电时UPS检测出停电报警，2个25 000μF大功率的电容开始放电工作，快速向伺服系统供电。同时它还具备过载或短路及自身电池电压过低的自动保护功能。现只针对UPS与主轴的连接作详细说明，至于其与X、Y、Z、B轴的连接及控制原理跟主轴相似，在此不作说明。UPS与主轴的连接图如图2所示。

图2 UPS与主轴伺服系统连接图

其工作原理如下：当供电正常时，输入三相交流电压R1BM、S1BM、T1BM通过充电电路不断对UPS-1SP模块进行充电，由2个大功率的电容储能。同时通过AC／DC电路将交流电压转换为直流电压，然后通过逆变器再将直流电压逆变成交流正弦波电压供给负载。当异常停电时，UPS的CX16电缆中的输入点X17.1检测到停电报警信号，与此同时UPS的UPS-1SP模块开始工作，由UPS的SUB MODULE R模块中的RE1、RE2、TH1三相电源提供给备用模块 UPS-1SP AC200 V电源，电源模块UPS-1SP通过电缆线S1SP、R1SP跟伺服电源模块中的CX1A电缆相连，提供给伺服电源模块AC200 V电源。同时UPS-1SP模块中的P、N电缆线与2个25 000μF大功率的电容相连，通过整流逆变UPS-1SP模块中的P、N将DC600 V左右的直流电源提供给主轴伺服放大器，以便供给伺服放大器正常工作。此时NC程序立即发出让进给轴停止的指令，通过程序控制延时1 s主轴也停止。无论是在正常供电还是异常停电的情况下，在线UPS始终处于工作状态，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及近似零转换时间，从而起到了在异常停电情况下保护主轴及防止打刀的作用。

2 刀库的控制

2.1 刀库的类型

加工中心的刀库有链式、盘式和转塔式等基本类型。与盘式和转塔式刀库相比，链式刀库的特点是存刀量多，扩展性好，在加工中心上的配置位置灵活，柔性化程度高，结构要复杂。缸盖加工中心采用的是链式刀库，刀具容量为40把。除了具有储存刀具的功能之外，还能根据要求将各工序所用的刀具运送到换刀位置，然后和主轴上的刀具进行交换，达到换刀的目的。

2.2 换刀动作

该加工中心换刀程序采用集巨指令调用方式，此种方式是通过参数PRM 6085来设置的（设定成P6即可），当执行宏程序时，遇到 M06功能代码，自动调用O9025程序（该加工中心的换刀程序）。

在换刀时，Z轴必须与刀盘保持固定的水平位置，但是该位置又不同于加工时Z轴参考点位置（因多工序加工时，主轴存在让刀情况），该位置称为Z轴的换刀位置即第二参考点位置（通过参数PRM 1241设置）。首先，通过宏程序系统变量保存当前的模态信息，以便程序返回之用。接着通过PMC程序判断当前刀号与主轴刀号是否相同，根据结果判断是否执行换刀程序。其次，执行换刀动作的具体过程。

2.3 刀具管理系统

传统的刀具调整是通过对刀仪对刀，人工记录刀具数据（长度、直径等），并将数据贴在刀柄上，人工根据记录的数据通过数控系统操作面板输入刀补。人工输入刀具补偿，效率低，还有可能出现输入错误，尤其是在加工中心中，刀具作为参与制造的重要辅助工具，其品种繁多，数量巨大，对刀具能否进行有效的管理已直接影响到生产效率及制造成本。因而，在刀具管理方面如何优化并实施一套严格有效的、容易操作的管理规程及相应的管理系统就变得非常重要。对此，DCI11缸盖的刀具信息采用了刀具管理系统来实现。它具有友好的人机对话界面及强大的管理功能，能及时准确地提供刀具及其组件信息，在最短时间内完成刀具准备，给机床提供正确的刀具，极大地提高了车间的生产效率。