三菱M70數(shù)控系統(tǒng)在軋輥磨床改造中的應用

付 芩

(江漢大學機電與建筑學院，湖北武漢 430056)

某用戶的一多齒軋輥磨床其控制系統(tǒng)原采用專用計算機，后因使用年久，控制顯示系統(tǒng)老化無法正常工作，需要進行改造。經過綜合分析，決定采用三菱M70數(shù)控系統(tǒng)對其進行改造。現(xiàn)將改造調試過程及磨床程序的編制做一介紹。

1 基本配置

該多齒軋輥磨床的機械部分可以保持留用，其運動軸有：①工作臺移動軸，帶動工件做循環(huán)往復運動，承重量大；①分度軸，由于磨削對象是多齒軋輥，而且軋輥的齒數(shù)也經常變化，所以要求CNC系統(tǒng)有很高的分度精度，③磨削砂輪軸，驅動砂輪上下運動，并與工作臺移動軸做插補運動；④修刀器軸，驅動修刀器上下運動，實現(xiàn)對主砂輪的修磨。

本次改造采用的數(shù)控系統(tǒng)是三菱M70系統(tǒng)，其主要配置如下：控制器采用三菱M70；伺服驅動器3臺，采用 MDS-C1-V2-7035、MDS-R-V1-80、MDS-R-V1-20；伺服電動機4臺，采用HA700NC-SR/OSE104(7 kW/2000 r/mim)、HA100NC-S/OSE104(2 kW/2000 r/min)、HF354S-A48(3.5 kW/2000 r/min)、HF105S-A48(1 kW/2000 r/min)；電源單元采用MDS-C1-CV110。在該配置中，有4套伺服電動機，其中：HA700NC用于驅動工作臺做X軸往復運動，加工工件置于工作臺上；HA100NC用于驅動主砂輪做Z軸上下運動，Z軸可以與X軸做插補運動；HF354S-A48用于驅動分度軸實現(xiàn)工件分度；HF105S-A48用于驅動修刀器上下運動進行砂輪修磨。

主砂輪的旋轉通過變頻器控制，轉速由CNC系統(tǒng)控制。整個系統(tǒng)的制動為“電源再生制動”。所以系統(tǒng)配備了電源再生單元：MDS-C1-CV110。

本系統(tǒng)的配置特點是：成本低。對于大功率伺服電動機采用了“一拖二”雙驅動器；即采用一臺驅動器MDS-C1-V2-7035控制兩臺伺服電動機。該驅動器能控制一臺7 kW和一臺3.5 kW電動機。本工程中使用的是一臺7 kW和一臺2.0 kW的電動機。

另一特點是不同類型的驅動器共用。在本系統(tǒng)配置中，使用了MDS-C1型驅動器和MDS-R型驅動器。這是因為MDS-R型驅動器所能驅動的電動機范圍最大是3.5 kW，而且其價格便宜，所以在一套M70CNC中使用了不同類型的驅動器。在本系統(tǒng)中，不同驅動器的排列也不受限制，其軸號由驅動器上的旋鈕確定。

2 調試中的問題及故障排除

2.1 Z軸速度問題及對“電子齒輪比”的分析

該磨床的Z軸為驅動主砂輪箱上下運動的軸，其機械部分部件繁多，重量大，因此除了采用配重平衡其重量外，還配用了減速比達60的齒輪箱，這樣可以減少對伺服電動機工作轉矩的要求，選用額定轉矩較小的電動機以降低成本。配用在Z軸上的伺服電動機為HA100NC-S，其額定轉速2000 r/min，Z軸螺距為10 mm，減速比 =60。因此Z軸實際額定速度=［2000/60］×10=333 mm/min。這一速度對自動加工時，僅僅做微小距離的修刀量移動尚可滿足。但是要做圓弧插補運行，其速度就受到了限制。

有什么辦法能提高Z軸的速度嗎？廠家提出是否可以用“電子齒輪比”來進行調節(jié)？

通用伺服系統(tǒng)可以通過調整電子齒輪比來調整指令脈沖與進給距離的關系。確定電子齒輪比的幾個因素是：(1)編碼器每轉反饋脈沖(即驅動電動機一轉所需要的脈沖)；(2)機械減速比；(3)螺距。由以上參數(shù)經過計算可以獲得每一脈沖對應的運行距離。因此每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)即確定了運行速度。

而在數(shù)控系統(tǒng)中，沒有專門的電子齒輪比參數(shù)。但實際上在三菱M70CNC中由于有下列參數(shù)。

#2219——編碼器分辨率；#2218——螺距；#1003——輸入指令單位；#2201——電動機側齒輪數(shù)；#2203——機械側齒輪數(shù)。

當以上參數(shù)設定后，NC內部已經計算出了電子齒輪比。其中參數(shù)#2218、#2219的含義比較明確；#1003設定“輸入單位”，是NC內部進行計算的基本單位。

一般操作者只在為“自動程序”包括(MDI)編程時設定各軸運行位置，這時輸入的數(shù)字就受到“輸入單位”的影響。這是很顯然的。另外，在進行“螺距補償”和“反向間隙補償”時，其單位只有#1003的1/2，即能進行更精確的補償。例：

當“螺距補償”和“反向間隙補償”值為100，實際補償值僅僅為50；這就是#1003對其他參數(shù)的影響。

與之相近的另一參數(shù)是#1015(移動指令單位)。既然已經設定了#1003，那#1015又起什么作用呢？#1015的定義是“程序移動量的最小單位”。

為了滿足編程的方便性，可以采用不同單位，可以與#1003相同，即也可以與#1003不同，但僅僅只對程序中的移動量起作用，對其他參數(shù)不起作用。必須注意：如果在程序移動量中使用了小數(shù)點，則數(shù)值以“毫米”為單位。

一般來說參數(shù)#2201、#2202構成一個齒輪箱。#2201是連接在電動機軸上的齒輪數(shù)，#2202是連接在機械軸上的齒輪數(shù)；而實際現(xiàn)場，多只知道齒輪箱的減速比，故一般設定#2201=1，#2202=齒輪箱減速比，但如果減速比是小數(shù)，則可以設定#2202/#2201=減速比。對#2201，#2202的功能做過實驗。在同樣的速度指令下，增加#2201數(shù)值，速度變快；增加#2202數(shù)值，速度變慢。以上是對數(shù)控系統(tǒng)內與“電子齒輪”有關參數(shù)的功能和使用的分析。

從機械結構的角度來看，砂輪箱的運動速度由電動機速度、減速比和螺距三因素決定，電動機速度的最大值就決定了砂輪箱(Z)的最大速度。調節(jié)電子齒輪比只能調節(jié)每一指令單位對應的實際移動距離，而無法改變實際“最大速度”的值。所以最大速度必須在電動機選型時予以充分考慮。在本改造項目中，自動運行時Z軸的進給量在0.01～0.03 mm之間。按Z軸額定速度333 mm/min計算，運行時間在0.0018～0.0054 s，所以能夠滿足自動運行的要求。對于手動運行而言，設定額定速度為手動速度，基本滿足客戶要求。但今后在對老舊設備改造時，對于配有大減速比齒輪箱的運動軸必須核算其額定工作速度，選用適當?shù)碾妱訖C。

2.2 插補速度的限制

調試完畢，在實驗其加工程序時出現(xiàn)下列情況：

(1)運行自動加工程序走直線插補：

G90 G1 X1200.Z0.03 F1200

實際運行速度可以達到程序指定的F1200。

(2)運行自動加工程序走圓弧插補：

N20 G91G03 Z0X1000.R#6 F1000(R#6為計算圓弧半徑)

卻出現(xiàn)實際運動速度達不到程序指定的速度F1000，而是受制于Z軸“G1限制速度”。“G1限制速度”由參數(shù)#2002設定。該數(shù)值即Z軸額定速度333 mm/min。這令人迷惑。如果說插補速度受到Z軸“G1限制速度”的限制，為何走直線時不受限制而在走圓弧時限制呢。這個問題提出來求教于高手。

2.3 Z55報警及其排除

該系統(tǒng)調試完畢試加工時經常隨機出現(xiàn)“Z55.RI/O未連接”報警，使自動加工中斷。

也有三菱CNC開機時，即使沒有連接 遠程I/O單元，也會出現(xiàn)“Z55遠程I/O單元未連接”報警。為什么會這樣呢？

Z55報警的一般原因：控制器和 RI/O之間的通訊出現(xiàn)了故障。Z55報警實際是通訊中斷或紊亂，而不是RI/O未連接。所以下列情況可能會引起Z55報警。

(1)當控制器與基本I/O之間的通訊電纜CF10插頭松動或出現(xiàn)電纜故障時，會出現(xiàn)Z55報警。

(2)當主電動機回路絕緣不好時出現(xiàn)過Z55報警。這是電動機的接地線和RI/O連接電纜R211的屏蔽線共地引起的故障。

(3)SH41電纜也可以用于RI/O連接。SH41電纜沒有屏蔽線。在較長距離連接時使用了SH41電纜。由于其沒有屏蔽線接地，會受到外部干擾也出現(xiàn)Z55報警(特別是電柜內裝有變頻器時)，而且其報警出現(xiàn)是隨機的，沒有規(guī)律。

(4)上電順序不對也會出現(xiàn)Z55報警。

所以排除Z55報警的方法如下：

(1)檢查連接電纜的選擇是否正確以及是否有脫線或虛焊。注意：當控制器與RI/O在同一控制柜內時，可以用SH41電纜。如果控制器與RI/O不在同一控制柜內時，必須使用FUCA-R211電纜。FUCAR211電纜帶有屏蔽線，其屏蔽線必須接地(FG端子)。本次改造項目中出現(xiàn)的報警就是連接電纜無屏蔽線，而且電柜內又有變頻器。改用帶屏蔽線電纜后故障解除。

(2)檢查電源的容量和電壓，使對RI/O正常供電。

(3)如RI/O單元硬件有故障，予以排除。

3 磨削程序的結構

3.1 軋輥磨床的基本工作順序

多齒軋輥磨床對工件的磨削過程有其特殊性，在編制程序前，仔細觀察其他磨床的工作過程，聽取客戶的要求是非常必要的。經過仔細觀察，總結軋輥磨床工作的基本工作順序如下：

(1)單齒磨削；

(2)由多個單齒磨削構成全齒磨削(整圈磨削)；

(3)由多個整圈磨削構成全磨削加工程序。

由于單齒磨削構成了整個磨削程序的基礎，所以對單齒磨削過程進行了仔細的觀察和分析，總結單齒磨削的動作順序如下：

(1)裝卸工件軋輥；

(2)修刀器(Y軸)上升到修磨基準位(對刀線)；

(3)主砂輪下降到修磨砂輪位置；

(4)工作臺(X軸)前進執(zhí)行砂輪修磨

(5)工作臺(X軸)往復運動執(zhí)行工件修磨；

(6)分度軸分度。

3.2 客戶對加工程序的要求

(1)由于待修磨軋輥的齒數(shù)不同，要求系統(tǒng)能實現(xiàn)任意的分度。

(2)軋輥每一齒修磨稱為單齒修磨。單齒修磨分為粗磨和精磨。粗磨是指主砂輪對軋輥每一齒只修磨一次，即工作臺只走一個單向行程；精磨是指主砂輪對軋輥每一齒修磨兩次，即工作臺走雙向行程。

(3)精磨粗磨既可以是直線磨削也可能是圓弧磨削。

(4)主砂輪的每次修刀量是可以任意設定的。

(5)每一軋輥的全齒數(shù)修磨稱為一圈修磨。一圈修磨也分為粗磨和精磨，磨削量可以任意設定。

(6)粗磨和精磨的圈數(shù)要求可以任意設定。

3.3 加工程序的編制原則

經過對客戶要求的仔細分析，制定了編制磨床加工程序的原則：

(1)以單齒的粗磨循環(huán)做為一個子程序；

(2)以單齒的精磨循環(huán)做為一個子程序；

(3)以N個單齒粗磨循環(huán)構成為一個“整圈粗磨子程序”；

(4)以N個單齒精磨循環(huán)構成為一個整圈精磨子程序；

(5)由N個整圈粗磨子程序和N個整圈精磨子程序構成整個磨削加工程序；

(6)所有需要設置的數(shù)值均以變量表示。

現(xiàn)以精磨子程序為例進行說明：

單齒磨削構成了加工程序的基礎。整圈磨削程序的編制是在其基礎上完成。整圈精磨子程序如下：

N10 M98 P9000 L#127

其中：M98是調用子程序命令；P9000是被調用的子程序號；L#127是調用子程序的次數(shù)，#127是一變量，其數(shù)值為軋輥的齒數(shù)，實際操作中為保證加工質量，該數(shù)值=齒數(shù)+2。

單齒粗磨子程序和整圈粗磨子程序與精磨子程序類似。由此可以構成整個加工程序。

4 PLC程序與加工程序的關系

加工程序與PLC程序有密不可分的關系。特別是加工程序中發(fā)出的M指令必須在PLC程序中加以處理用以驅動外圍設備和實現(xiàn)一些特殊的要求。

在本次設備改造中，除常規(guī)的主軸正轉、主軸停止、開關冷卻液等功能外，客戶還要求系統(tǒng)能夠顯示當前正在磨削的“圈數(shù)”和“齒數(shù)”。在三菱CNC操作界面上，能夠顯示數(shù)據的有“刀號T”和“加工件數(shù)”。磨床上沒有使用“刀號T”，故可用其來顯示“加工圈數(shù)”。

4.1 “當前磨削齒數(shù)”的處理

“當前磨削齒數(shù)”可以通過設置為“加工件數(shù)”來顯示。具體操作方法為：

設置加工參數(shù) #8001=20；其含義是定義M20為工件計數(shù)標志。當加工程序中出現(xiàn)M20時，就進行一次計數(shù)；相應地在單齒精磨子程序P9000中，編制N38 M20 ；標定當前磨削齒數(shù)

可以在屏幕上工件計數(shù)位置觀察到齒數(shù)的變化。

4.2 加工圈數(shù)的顯示

在加工程序每一圈加工開始位置編制程序(下例是在第2圈加工開始位置)

#1132=2 ；標定“當前磨削圈數(shù)=2”

#1132是NC內部變量，其對應PLC內的R172接口。所以必須在PLC程序內做圖1所示處理，即將文件寄存器R172內的數(shù)值隨時送入到刀號寄存器R36中，這樣就可以隨時觀察到當前磨削圈數(shù)的變化。

5 結語

該磨床經改造后，運行穩(wěn)定，加工程序能適應不同齒數(shù)的軋輥磨削，用戶滿意。