MCFHD80A卧式加工中心控制系统设计

pgmpgm2009

本文主要介绍对mcfhd80a卧式加工中心进行数控改造的过程。
mcfhd80a卧式加工中心系东风车桥公司生产减速器壳体的数控机床。该机床90年代初从捷克进口，原控制系统为西门子820m数控系统，由于系统老化，运行不稳定，故障频繁，因此提出数控改造。
9 Z4 E7 y/ P. k" @: ^一、数控系统硬件配置
　　机床的数控改造采用fanuc-0i-mc数控系统＋αi系列交流数字伺服的控制方案，其硬件配置如图1所示。
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" g3 A: s9 h  [8 i% @6 y( S1 A  |图1 硬件配置图
　　mcfhd80a加工中心除三个基本几何轴外，还有一回转工作台也是采用伺服驱动。因此伺服轴共有4个轴，分别是x、y、z、b。其中x，y，z三个基本轴均采用光栅尺直接检测工作台的位移量，构成全闭环控制。
& S0 W6 A7 G6 z$ s2 t( p3 ?　　其刀库为液压驱动的链式刀库，可容纳60把刀，刀具交换采用机械换刀。
3 t+ c5 M" v3 k控制系统硬件的主要组成
　　基本控制单元（2槽）：规格为a02b-0309-b502；
6 j. N8 T# p+ @6 I, @4 Z# S　　主板：规格为a02b-0309-h102。它内含可编程机床控制器pmc-sb7；
' U9 I) U/ a% o1 V/ R% o　　cpu板（32m dram/486）：规格为a02b-0309-h006；
) z* ~0 ?( U$ C4 x$ K  [2 W2 g　　8.4寸彩色lcd/mdi装置（水平）：规格为a02b-0309-h124#m；
　　i/o单元：规格为a02b-0309-c001。输入/输出点数为96/64点；
" b7 g5 G& J  L) O( a# a　　操作面板用i/o模块：规格为a02b-2002-0520。输入/输出点数为48/32点，具有手摇脉冲发生器接口；
9 Z& `2 T& n, \. H1 H" p　　便携式手摇脉冲发生器：规格为a860-0203-t012；
　　位置编码器：规格为a860-0309-t302。10000rpm，1024脉冲/转。
进给伺服电机
　　比照原机床进给伺服电机额定扭矩选择新伺服电机。x轴、y轴和z轴都选用电机a40/3000i with fan，额定扭矩53n.m。其中y轴电机带抱闸，以防止机床停电时主轴箱垂直下滑；
　　由于受安装位置的限制，b轴电机无法比照原电机规格进行选择。现具体说明如下：
! o! I5 e6 b# L  {　　在原控制系统中，b轴伺服电机的型号为1ft5076-0ac71，堵转转矩22nm。对应fanuc伺服电机的型号为α22/3000i。但是α22 /3000i的法兰尺寸比1ft5076-0ac71电机法兰尺寸大。而机床现有结构决定了新电机的法兰尺寸不能大于142×142。因此，b轴电机不能选α22/3000i。不仅α22/3000i不能选，α12/3000i也不能选。α12/3000i的法兰尺寸也是174×174。最终只好采用α8 /3000i电机驱动工作台回转；
* V; I! ^( G$ s: @6 Q. i( z, ]　　主轴伺服电机：比照原机床主轴电机功率选择新电机。选用电机a22/7000i；
　　伺服放大器：b轴伺服放大器选用svm1-40i。x轴、y轴和z轴的伺服放大器均选用svm1-160i；
　　主轴放大器：规格为spm-26i；
2 n+ Z8 f! N( k1 r$ h　　电源模块：根据已经选好的主轴电动机和伺服电动机，计算出电源模块的额定输出容量，电源模块的最大输出容量，电源模块的峰值输出容量，应选用的电源模块为psm-55i；
　　光栅接口板：规格为a02b-0236-c205；
　　光栅尺：x、y、z轴配有光栅构成全闭环控制。光栅尺型号为海德汉ls106。该光栅尺输出11μa正弦波信号；
. |" O) t3 M, T/ c　　光栅尺信号转换电路：将ls106输出的11μa正弦波信号转换为ttl方波信号。
二、总线设置
" y2 T( Y' H9 i2 p1 T1. i/o总线的设置
/ p- o* w1 K9 B1 t+ ]　　各模块的安装位置由组号，基座号，插槽号和模块名称表示，因此可由这些数据和输入/输出地址明确各模块的地址。各模块所占用的di/do点数（字节数）存储在编程器中，因此仅需指定各模块的首字节地址，其余字节的地址由编程器自动指定。
( i/ N1 T7 P2 r: x6 j  ^* O# A　　由于0i-c本身不带有内置i/o板，连接外围设备，必须通过i/o模块扩展。i/o link插口挂接了两组从属单元：操作面板i/o模块和i/o单元，手轮连接在i/o单元上。使用了两组从属单元，如图2所示。

图2 i/o link连接图
+ {  e/ h3 t1 C% }　　两组从属单元的i/o地址可设置如下：
4 g3 I, V- Q: V/ e" \　　操作面板i/o模块的i/o地址输入从x0开始，0.0.1./6；输出从y0开始，0.0.1./4。i/o单元的i/o地址输入从x006开始，1.0.1. oc02i；输出从y004开始，1.0.1./8。图3即为i/o设定画面。

图3 i/o地址分配
2. fssb伺服总线的设置
　　使用fssb的系统，cnc，伺服放大器和分离型检测器接口单元彼此间通过光缆连接。这些放大器和脉冲模块就是所指的驱动部分。驱动号码（1，2，3，…，10）按照驱动分配以升序排列；越小的号码所指定的驱动离cnc越近。闭环伺服系统连接图如图4所示。图3中m1表示第一分离型检测器接口单元。

+ O8 m5 y' Z* |& W& ^) ?图4 闭环伺服系统连接图
6 N7 E1 H1 `0 U) X- |  d2 @　　使用fssb设定画面执行自动设定时，在放大器设定画面输入x，y，z，b轴的轴号分别为1，2，3，4。在轴设定画面设定x，y，z轴的分离型检测器m1为1，2，3。b轴无分离型检测器，不设定。图5即为fssb设定画面。

图5 fssb设定画面
9 t( [7 }! V2 M7 s3 }7 Y; q4 R, m三、工作台分度功能设计
6 H) O, R0 R3 z2 u; z6 M( j2 f) u8 s1. 分度工作台机械传动方案
2 t& W0 A9 E6 c: c　　回转工作台是数控铣、加工中心等数控机床不可缺少的重要部件。它的作用是按照cnc系统的指令作回转分度或连续回转进给。常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。
　　分度工作台的功能是在需要分度时，将工作台及其工件回转一定的角度。其作用是在加工中自动完成工件的转位换面，实现工件一次安装完成几个面的加工。按照采用的定位元件不同，有定位销式分度工作台和鼠牙盘式分度工作台。通常分度工作台的分度运动只限于某些规定的角度，不能实现0～360°范围内任意角度的分度。mcfhd80a系上世纪90年代捷克生产的卧式加工中心，其工作台为鼠牙盘式分度工作台。分度盘由相同的上下齿盘组成，齿盘的齿数为360齿，因此最小分度为1°。此分度工作台的优点是定位精度高、刚性好，承受外载能力强。
　　该加工中心b轴，即工作台回转轴采用半闭环控制方式。本设计中采用分度数控轴方法设计分度功能。
2. 分度数控轴pmc程序设计
1 p" E1 t  Z, f' b; O/ F: G  l# F　　分度数控轴定位的时序如图6所示。

3 R+ q- Y3 c5 t2 @$ P/ d( j) G图6 分度工作台定位工作时序图
. v# V& T1 v, W4 I: M其动作顺序如下：
　　程序指定b指令；
) n% J2 @: G9 u8 ]2 Z9 _　　cnc将b轴松开信号buclp（f61.0）置1；
/ {4 ?, @1 l" T$ m' [  u　　工作台抬起，b轴夹紧解除；待工作台抬起完成后，b轴松开完成信号*beucl（g38.6）为0；
　　接着cnc将b轴松开信号buclp（f61.0）置0，表明它已接收到*beucl信号；
　　当pmc得知buclp已为0时，pmc将*beucl信号置1；
　　b轴旋转；
　　当b轴距指令位置的偏差小于该轴的到位宽度（参数1826）时，cnc将b轴夹紧信号bclp（f61.1）置1；同时b轴伺服关断；
, [% t& ^5 r; Y3 Y) H　　当pmc得知bclp（f61.1）为1后，工作台落下，b轴夹紧。夹紧完成后，b轴夹紧完成信号*beclp（g38.7）置0；
　　当*beclp为0，cnc将bclp置0，表明cnc已收到夹紧完成信号*beclp；
　　在pmc侧，当bclp变为0时，*beclp变为1。
　　使用分度轴功能，在自动或mdi方式使用b指令指定分度角度，可以增量值编程也可绝对值编程；在手动方式，只能执行手动回参考点操作。手动回零时，分度动作时序与b指令基本相同。
　　依据图6的时序图，可编制出相应的pmc（可编程机床控制器）程序，如图7所示。在该程序中同时还设计了m代码用于工作台的抬起和落下，这是出于维修和调整的需要。因此工作台抬起启动信号有2个：buclp（f61.0）和m54（r10.6）；落下启动也有2个信号：bclp（f61.1）和 m55（r10.7）。

图7 分度工作台pmc程序
: k% T' P8 y. g8 x) H' }: p. D0 s　　同样是出于维修和调整的需要，在pmc程序中还设计了b轴的手摇和jog进给功能。在进行这些手动操作时，首先要将8132#3号参数置0，取消b轴分度功能。此外在手动操作前，还需用m代码将工作台抬起，以解除轴互锁；手动操作结束后，再用m代码将工作台落下。如果不再进行手动操作，将8132#3号参数置1，恢复分度功能。这里值得一提的是8132#3号参数的修改需要cnc停电重启动，给操作带来了一些不方便。但手动操作仅仅是维修调整时使用，正常运行时是不需要的。
9 w0 d  L* e7 X/ c四、结 语
　　本文提出fanuc-0i-mc数控系统＋αi交流数字伺服的控制方案，已成功地应用于mcfhd80a卧式加工中心数控改造。改造后的机床完全达到了预期的工艺加工要求，并投入9吨以上重型车减速器壳体生产。通过近两年的运行表明系统运行稳定、可靠。
. A5 c+ n' `! P) F5 g【MechNet】
文章关键词： 数控机床