FANUC数控系统在C389数控车床改造中的应用

2014-03-06夏超国

机电信息 2014年6期

夏超国

（湖北工业职业技术学院机电工程系，湖北十堰442000）

0 引言

C389是20世纪90年代的数控车床，用来车削康明斯6B曲轴主轴颈，原使用FANUC公司早期的10TE系统，整套系统采用分离型及插接式结构，控制复杂，体积庞大，维修不便，元器件繁多且老化严重，各种插接件经常出现接触不良故障，且外围连接破损不堪，导致系统可靠性下降，故障频发。同时由于原系统生产年代久远，FANUC公司已经停产，导致备件奇缺，严重影响了曲轴的生产。因此，决定对曲轴C389数控车床进行数控系统电气大修改造。

1 改造方案的确定和实施

经分析研究，决定采用FANUC oi－C数控技术对原系统进行改造。为了满足工艺要求和车间柔性化生产的需要，同时保证加工精度，消除原系统存在的缺陷，改造后电气系统采用位置反馈全闭环系统，数字式交流主轴，PMC轴控实现刀盘旋转，同时完善系统故障报警功能，方便机床的操作及维修。

FANUC oi－C数控系统是FANUC公司新推出的一款具有很高性价比的CNC数控系统，它有以下特点：（1）数控轴数多，进给轴最多可达3轴，可同时控制2个伺服主轴或1个模拟主轴；（2）显示功能齐全，它采用7.2′～10.4′单色或液晶显示器，不仅能显示位置、程序参数等，还可显示PMC梯形图、伺服诊断、刀具补偿等内容；（3）驱动功能强，它可采用数字交流伺服电机进行驱动，反馈可采用内置式与外置式编码器相结合的全闭环控制；（4）具有PMC轴控功能：PMC可以独立于CNC而直接控制坐标轴；（5）采用整体式结构，结构简单，可靠性高，能适应各种复杂环境，抗干扰能力强。

结合FANUC oi－C数控系统所具有的各种功能及C389车床的实际情况，决定采用FANUC oi－C系统对该机床的电气控制系统进行改造，并完善机床的各项功能，改造方案如下：（1）数控系统组成：伺服控制轴采用3轴控制，即X、Z、T轴，X轴为数控车床刀盘进给伺服轴，Z轴为工作台左右移动控制伺服轴，T轴为刀盘旋转用于刀具定位的伺服轴。根据加工精度的要求，X、Z轴采用分离式编码器以消除齿轮传动及滚珠丝杆的误差间隙，保证车床的加工精度，T轴根据刀盘旋转的工作方式，采用PMC轴控方式进行控制。（2）为了改善曲轴的加工质量及满足产品的柔性化生产需要，采用全数字主轴实现对工件的转速控制。（3）刀盘旋转采用PMC轴控，能够准确实现刀盘的T轴功能，包括轴的进给、回零、辅助功能等操作。（4）外围机床动作由FANUC系统自带的PMC－SB7版本的顺序程序控制，由于机床自带的I／O接口完全能够满足改造的需要，因此无需升级I／O单元。

改造后的系统如图1所示。

图1 改造后的系统

2 设计内容

2.1 系统硬件配置

根据原数控系统电机功率及机械连接的选择，采用FANUCαiF系列伺服电机及αi系列交流主轴电机实现对X、Z、T轴及主轴的控制，αi系列电机体积小、重量轻、安装方便，适用于要求精度高、负载惯量小的场合，抗干扰性强。

由于车床系统同磨床系统不一样，不具备主动测量功能，对车床系统来说，其控制精度要求更高，因此，对于X、Z轴进给伺服电机我们采用增量式编码器实现全闭环控制，该分离式编码器能将位置的检测信号精确反馈到伺服驱动器中，以消除机械连接及滚珠丝杆的间隙。同时，由于原刀盘采用伺服控制，而非采用锥形电机加编码器的控制方式实现刀具功能，根据刀盘运动的控制特点，我们采用交流伺服电机进行驱动，但控制方式中采用PMC轴控技术，从而更加方便地实现刀具的选择功能。

2.2 参数设置

数控系统的参数设置是一个复杂而艰巨的过程。该系统参数共有上千个之多，主要包括控制设定参数、控制轴设定参数、坐标系参数、数字伺服参数、DI／DO参数、编程参数、主轴参数、PMC轴控参数等。

参数是数控系统的一个重要组成部分，其设置得合理与否直接关系到整个系统能否正确稳定运行，而相当一部分参数需要根据机床的机械结构、工艺数据、电气配置等通过计算得到，而另一部分参数则需要通过实际运行调试才能获得。在改造过程中，我们对机床参数的设置及调试做了大量细致的工作，确保了整个机床的稳定运行。这些参数中，涉及数字伺服的参数显得尤其重要，如果不能正确设置，整个数控系统将不能稳定运行。

下面以X轴全闭环系统伺服参数的设定为例介绍参数设置。在X轴的全闭环控制中涉及以下几个重要参数：（1）NO.2020：电机 ID 号。（2）NO.1820：CMR。（3）NO.2084：Feodgear N；NO.2085：Feodgear M。（4）NO.2023：速度脉冲指令。（5）NO.2024：位置脉冲指令。（6）NO.1821：参数计数器容量。（7）NO.1815：外置位置编码器。

电机ID号的设定：根据采购电机型号，我们设定NO.2020＝197（αiF12／3000）。

CMR的设定：CMR＝指令单位／检测单位，其设定值为CMR×2，而通常指令单位＝检测单位（CMR＝1）。因此，我们将该值设定为2。

柔性进给齿轮比的设定：通过使来自脉冲编码器、分离式检测器的位置反馈脉冲可变，即可根据各类滚珠丝杆的螺距、减速比而轻而易举地设定检测单位。

在该机床中，设定X轴的检测单位为1μm（0.001mm），根据测量X轴的滚珠丝杆螺距为10mm，因此：

设定 NO.2084＝1（N）；NO.2085＝100（M）。

速度脉冲数：对应于αiF电机，速度脉冲数均为8192。

位置脉冲数：对应于αiF电机，位置脉冲数均为：12500×减速比＝12500×2／3＝8333。

参数计数器：参数计数器＝电机每转动一圈所需的位置脉冲数／M，即滚珠丝杆的螺距，因此设定为10000。

根据前面的计算，我们设定NO.1815＝00000010，以上设置完成后，对于X轴的基本伺服参数就已设定完毕，通过手动或自动方式我们就能发现机床每移动一次的最小距离为1μm，且与实际检测得到的数据相一致。

3 PMC轴控功能

（1）PMC可以独立于CNC而直接参与控制坐标轴，该功能称为PMC轴控，它可以实现多种操作，如轴快进、工进、JOG进给、回参考点、辅助功能等。其基本步骤如下：1）设定轴控程序段数据号：包括程序段停止禁止信号EMSBK（位）、轴控命令信号EC0－EC6（字节）、轴控速率信号EIF0－EIF15（字）和轴控数据信号EID0－EID31（双字）等。2）轴控数据段数据信号压入CNC缓冲区，CNC缓冲区分为输入缓冲区、等待缓冲区、执行缓冲区。在程序段执行期间，如果缓冲区有空，CNC可以接收来自PMC的新程序段，这样就能实现多步操作连续运行。CNC缓冲区的状态由轴控命令读信号EBUF与轴控命令读完信号EBSY“异或”确定，“异或”结果为“0”表示PMC可以发布新程序段，缓冲区数据传送如图2所示，命令程序段压入如图3所示。3）翻转轴控命令读信号EBUF，启动执行缓冲区命令程序段，翻转时EBUFg与EBSYg应保持一致。4）重复上述步骤直至所有的程序段发布并运行完毕。

图2 缓冲区数据传送图

图3 命令程序段压入时序图

（2）基于PMC轴控的刀盘控制程序。由于在数控车的改造中，采用伺服电机驱动刀盘旋转，整个刀盘由12把刀组成，采用360°旋转，故每把刀相差角度为30°，特别适合采用PMC轴控实现刀盘旋转的控制。下面就对刀盘PMC轴控程序进行分析：1）EAX控制轴选择信号G0136.2：当该信号置“1”表示相应的轴变成PMC控制轴（图4）。2）刀号的选择：刀盘回零后将当前刀号设定为“1”，每旋转30°刀号加“1”或减“1”。3）命令程序段控制：整个PMC控制程序分为2个程序段，分别对应于刀盘回零及刀盘刀号选择循环程序，同时通过程序设计采用不同条件对同一指令进行控制，确保程序运行时只有一个程序段工作有效。刀盘循环控制数据如下：自动换刀时，控制程序由AXCTL指令控制，轴控数据地址存放于D100开始的8个字节中，其中，D101存放EC0～EC6控制指令，D102～D103存放EIF0～EIF15指定速度数据，D104～D107存放EID0～EID31指定位置数据。根据以上程序，设计刀盘能正确完成刀具功能。