立式加工中心数控系统改造

孔雪峰 KONG Xue-feng；崔巍 CUI Wei；张少宏 ZHANG Shao-hong

（航宇救生装备有限公司，襄阳 441003）

（AVIC Hangyu Life-saving Equipment Co.，Ltd.，Xiangyang 441003，China）

1 机床的状态分析及目标设定

一台辛辛那提机床公司Sabre1000三轴立式加工中心购置于1996年，采用VICKERS ACRAMATIC A2100数控系统。经过多年的使用，系统稳定性随着时间变迁也越来越差，机床经常处于停机待修状态，给生产带来了较大影响。对机床精度进行预检，发现机床直线轴几何精度保持较好；机床主轴精度丧失，噪声较大，需更换机床主轴轴承。基于此，决定对机床进行改造，以恢复其精度和功能。主要内容包括：电气和控制系统全部更新；更换主轴轴承；增加自动集中润滑系统。

2 机床机械部分的改造

首先拆卸工作台、十字滑台、主轴箱，布置安装集中润滑系统管路。机床的原主轴采用RHP X7014油雾润滑轴承，轴承外圈有一圈环形油槽，不易买到。机床最高转速为8000 rpm，查阅轴承技术手册确认，现在采用脂润滑轴承自然冷却的主轴，最高转速可达12000rpm，因此使用脂润滑轴承也能稳定工作于8000 rpm，故选用NSK公司的7014A5TYNSULP4免维护脂润滑轴承更换主轴原轴承，并对主轴进行动平衡试验。然后安装电机、工作台、十字滑台、主轴箱等，装配过程中保证机床几何精度达到或接近出厂精度标准。

3 数控系统和驱动装置选用

3.1 选择数控系统和驱动装置的原则 首先是“够用”的原则。主要考虑机床是用于精密加工还是普通加工，机床的联动轴数是三轴、四轴还是更多，只有在这些信息的基础上才能选择合适的系统。比如BEIJING FANUC公司推出的0i-D系统支持四轴四联动，是国内机床厂家使用很广泛的一款数控系统，但该系统还有仅支持三轴三联动的基本功能版本0i-Mate-D可供选择。其次是“适用”的原则。主要从两个方面考虑，一是设计人员是否熟悉该系统，熟悉的话，设计和以后的维护就相对简单些。二是需考虑操作工人和编程人员是否熟悉该系统。最后还要注意一点，选定数控系统之后，还要注意其选项配置，哪些应该选，哪些可以不选需要根据实际情况认真考虑。某些选项能显著提升系统的加工性能，但往往需要付出不菲的成本。

3.2 数控系统和驱动装置的选择 考虑到公司绝大部分数控机床配置的是FANUC数控系统，本次改造的机床用于一些较为复杂的铝合金零件的精密加工，因此选择FANUC 0i-MD数控系统。该款数控系统是FANUC公司在2008年左右推出的高可靠性、高性价比、高集成度的中档数控系统。驱动装置则选择高速、高精度、高效率的αi系列智能型伺服系统。

4 系统连接和调试

4.1 硬件安装和连接 在机床不通电的情况下，按照电气设计图纸将数控系统的CRT/MDI单元、伺服驱动器、I/O板、机床操作面板、电子手轮、伺服电机等硬件安装到位，然后完成基本电缆连接，图1是硬件总体连接框图，详细说明请参照《连接说明书（硬件篇）》。

4.2 调试准备 将所有硬件安装连接好，机床电路安装连接好后，就可以通电开机开始调试。在调试前还需要准备好相关说明书，包括数控系统《启动手册》、《系统参数说明书》、《连接说明书（功能篇）》等，其中《启动手册》是随数控系统硬件一起提供的，它详细介绍了初次调试系统时基本参数的设置方法，其它说明书需要单独订购。数控系统调试时还需要一台电脑以及网络通讯线，用于PMC程序编写和上传下载、系统参数备份等工作。

4.3 基本参数设置 FANUC 0i-MD系统可以通过显示屏上的参数设定支援画面进行基本参数设定，其目的一是通过在机床启动时汇总需要最低限度设定的参数并予以显示，二是通过简单显示伺服调整画面、主轴调整画面、加工参数调整画面，更便于进行机床的调整。基本参数具体设定步骤及方法在《启动手册》中有详细的介绍，参数更全面的介绍需要参考《参数说明书》和《连接说明书（功能篇）》。基本参数设定完成后，系统就为机床运行做好了准备。在这一环节中，有些参数设定错误值后，系统会报警提示，根据提示可以有目的地进行修改；而有些参数设定错误值后是不会报警的，比如伺服设定中的柔性齿轮比、参考计数器容量等参数，设定错误值后，机床进给和回参考点会出现异常，而这些异常只能在机电联调的时候才能发现。

4.4 系统PMC调试 PMC是联系CNC和机床外部机构的桥梁，是调度管理外部机构的核心，它包括系统软硬件、用户程序以及I/O模块。机床外部机构包含机床操作面板、换刀机构、润滑系统、排屑冷却系统、限位开关、回零开关等，它们都需要在PMC用户程序的统一调度下配合CNC共同完成对机床的控制，因此PMC编程和调试是系统调试中的重点和难点。

4.4.1 调试准备 PMC调试工作的主要内容是用户程序的编写、下载调试运行，PMC程序编写使用FANUC LADDER-Ⅲ梯形图编辑软件，该软件具有编辑、在线监控、上传下载程序、强制等功能。装有LADDER-Ⅲ软件的电脑可以通过以太网口或串口与数控系统主板的对应端口通过通讯线相连接，这样就能在线进行程序编辑调试监控了。程序编写方法可以参照《FANUC PMC梯形图语言编程说明书》。

4.4.2 系统PMC基本功能调试 PMC基本功能主要包括对操作面板、手轮的控制，比如工作方式的选择、进给倍率主轴倍率的选择、进给轴的选择、手动或回零方式下的轴的控制、急停信号的处理等。为方便用户调试，FANUC公司可提供已经编写好的基本程序供用户使用，实际调试时，可以直接在基本程序的基础上修改完善。

将基本程序下载到系统中，编程软件置于在线状态下，此时各输入输出点的变化和内部寄存器的变化在软件界面内也会实时显示，就可以对基本功能进行逐一测试了。由于系统对很多地址的功能进行了限定，所以在调试过程中需要参考《连接说明书（功能篇）》。

4.4.3 系统PMC扩展功能调试 PMC用户程序中扩展功能部分需要用户自行编写，包括换刀、润滑、冷却、报警等控制程序，完成这部分工作需要调试者具有一定PLC编程经验。下面以改造过程中自动换刀功能的实现做简单介绍。该机床采用的是斗笠式刀库，刀具交换指令为M06，执行 M06指令时，NC调用并执行宏程序O9001，宏程序控制整个换刀流程，执行过程中，NC和PMC进行信息交换，具体动作由PMC根据宏程序指令驱动换刀机构进行，见图2。

图2 换刀流程图

4.5 精度补偿在上述调试过程完成之后，机床就可以正常运行了。为了提高加工精度，需要进行螺距补偿和反向间隙调整，将机床的位置精度调整到一个比较理想的状态。这项工作要利用激光干涉仪或步距规。

4.6 其它参数设定 这些参数与操作者使用习惯和安全相关，比如界面显示相关参数、坐标设置相关参数、参数保护、宏程序保护等参数设定。其目的是给操作者提供一个友好的操作环境。

4.7 系统备份 系统调试全部完成，机床试运行正常之后，需要对系统参数、宏程序、PMC程序及参数进行备份，可以采用存储卡备份，也可以利用电脑通过通讯端口进行备份，具体做法请参照《参数说明书》。

5 结束语

本文介绍了一个利用FANUC数控系统对加工中心进行改造的实例，对数控系统的选型和实际调试的步骤、过程做了详细说明。从企业角度来看，对老旧数控机床进行改造，恢复其加工精度和加工效率，比购买新机床能节省约50%的资金。同时，经过改造调试这一过程，技术人员对数控系统的原理、功能有了更深入的了解，有利于提高维修能力。

[1]FANUC Series oi-MODEL D/0i Mate-MODEL D启动手册.

[2]FANUC Series oi-MODEL D/0i Mate-MODEL D参数说明书.

[3]FANUC Series oi-MODEL D/0i Mate-MODEL D连接说明书（硬件篇）.

[4]FANUC Series oi-MODEL D/0i Mate-MODEL D连接说明书（功能篇）.

[5]FANUC Series oi-MODEL D/0i Mate-MODEL D维修说明书.

[6]Sabre1000电气图册.