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。
一、数控系统硬件配置
. ~8 R( K$ m4 \8 N7 V　　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。

图1 硬件配置图
& G& }' Q8 u$ o% K# p/ R　　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。
7 v4 n! t9 y2 F8 B3 j　　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。
控制系统硬件的主要组成
8 a, V) M$ I6 x3 r: T* n" E: ?* g( p　　基本控制单元（2槽）：规格为a02b-0309-b502；
　　主板：规格为a02b-0309-h102。它内含可编程机床控制器pmc-sb7；
, P3 A/ E/ r# L/ B0 U% O　　cpu板（32m dram/486）：规格为a02b-0309-h006；
　　8.4寸彩色lcd/mdi装置（水平）：规格为a02b-0309-h124#m；
. h) c4 @" K' F* Q7 b3 P/ i　　i/o单元：规格为a02b-0309-c001。输入/输出点数为96/64点；
　　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；
　　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
7 o" Z9 c+ i2 z  s5 d; H2 z* o　　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；
4 S# N4 l) Z1 J! u3 `% y/ G　　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：
7 P7 U$ W( |. w( q, G# Q0 q. q　　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；
/ o: j# T8 i6 d9 t# ~4 n　　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；
/ p+ y) D9 B# p8 o9 O3 n, S9 q　　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；
　　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；
  s1 y5 O8 Y' [　　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；
　　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。
0 z; Y4 W/ q# F+ F+ K9 c3 q8 h二、总线设置
( N* x" \9 {7 @1 }0 g' f1. i/o总线的设置
　　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。
　　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
4 y( `  A) K8 L4 G8 f　　两组从属单元的i/o地址可设置如下：
7 i1 N; ?% ]7 |  t　　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。

0 i2 m/ R4 D; x5 V* f图3 i/o地址分配
3 v$ `3 X; Q1 s8 `' G1 }, F# C2. fssb伺服总线的设置
, R2 @& e  r% |4 ^' d　　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。

图4 闭环伺服系统连接图
　　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。
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图5 fssb设定画面
三、工作台分度功能设计
, U. X0 e! h) |0 B5 y+ d$ q1. 分度工作台机械传动方案
　　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。
: y$ Y' T2 |/ }4 k1 G: x　　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
　　分度数控轴定位的时序如图6所示。
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图6 分度工作台定位工作时序图
; |6 i. }% Z6 b+ |$ u- a! _其动作顺序如下：
　　程序指定b指令；
0 Z- F, O( j2 x　　cnc将b轴松开信号buclp（f61.0）置1；
　　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；
2 y- A: x8 v9 i, N& M. J　　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；
2 M1 a' B# {- D' j0 X　　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。
/ V' u5 H0 T9 t" V# H, l　　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）。
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图7 分度工作台pmc程序
0 ^$ F% P& b$ |　　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。
& M8 [9 ~; i7 Y6 q3 n' ^/ O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。
【MechNet】
) l' w" `3 K; M8 S文章关键词： 数控机床