提高VMC100型加工中心系統穩定性的研究與分析

蔡丹 王德林 袁海清

【摘要】本篇論文主要從VMC100型四坐標加工中心的電氣控制系統方面論述，具體對加工中心的數控裝置、PLC輸入/輸出系統、伺服驅動系統、位置檢測反饋等機床組成系統進行闡述，應用加工中心出現的故障實例研究與分析各系統的穩定性與重要性，達到提高VMC100型四坐標加工中心的系統穩定性的要求。

【關鍵詞】數控裝置;伺服驅動;位置反饋

0.引言

VMC100型四坐標加工中心為全閉環，立式加工中心，它是具有自動換刀裝置及CNC四軸聯動控制系統的現代化加工機床，可進行精加工或粗加工，此機床在一次裝夾后，可以自動連續完成對零件的銑、鉆、鏜、擴、鉸及攻絲等多種工序加工，適用于中等批量生產的各種平面、孔、復雜形狀表面的加工，能夠節省工裝，縮短生產周期，提高加工精度，但其工作久了，維護不當或操作者誤操作等，機床的元器件或機械部件難免會出現一些損壞或各種故障（包括電氣系統、機械系統、液壓系統、潤滑系統等方面故障），為了有效的解決其在生產中頻繁出現的各種故障，提高VMC100型四坐標加工中心的系統穩定性，我們主要從機床的數控裝置、伺服驅動系統、位置反饋系統、線路器件等幾大電氣組成系統進行綜合分析此機床。

1.數控裝置

VMC100型加工中心選用了西門子840D數控系統，該數控系統的核心是數控裝置（NCU），840D的NCK和PLC都集成在NCU上，它用于處理所有CNC、PLC通訊任務。數控裝置接收、分類處理、運算來自機床的輸入信號（包括NC程序、PLC輸入信號、面板操作信號等），分別以脈沖的形式向PLC控制的輔助控制裝置和伺服驅動系統發出控制指令和運動指令，控制機床按照輸入的程序運動，完成零件的加工。但是機床工作久了，偶爾就會出現840D數控系統的系統故障，造成CNC、PLC通訊不正確，機床無法正常加工，影響數控系統工作的穩定性，現列舉實例說明如何提高VMC100型四坐標加工中心的數控系統穩定性。

例如：機床在執行程序時，CNC、PLC通訊突然失敗，機床無法進行加工。分析此現象為數控裝置發生故障，分別從NCU的CNC、PLC的硬、軟兩方面進行研究，因為NCU的硬件控制板一般情況下不容易損壞，所以先從軟件方面分析研究，對840D數控系統的CNC、PLC軟件程序進行備份，然后將CNC、PLC的軟件程序初始化，重新回裝，觀察CNC、PLC通訊是否正常，再對硬件控制板檢測分析。具體步驟如下：

1.1 NCU RAM中的數據備份到MMC的硬盤中

1）在“Startup”區域中輸入用戶級別以上的密碼，本機床為“SUNRISE”。

2）進入“Service”區域中“series;start-up”選擇垂直菜單“Make;start-up;archive”。

3）選擇NC、PLC數據，輸入文件名，選擇垂直菜單“archive”，數據備份到硬盤。

1.2 NCU的軟件初始化

NC初始化：NCU控制板的S3開關由0設置為1，然后按下控制板的RESET鍵等待NC清空完成，最后S3開關由1設置為0，NC初始化結束。

PLC初始化：NCU控制板的S4開關首先由0設置為2，然后由2設置為3，當看到PS燈慢速閃爍一次后，在接下來的3秒中之內設置S4開關為3、2、3，如PLC清空完成，NCU控制板上的PS燈就會快速閃爍，最后設置S4開關為0，PLC初始化結束。

1.3 數據恢復

將MMC硬盤中的備份數據恢復到NCU RAM中：

1）在“Startup”區域中輸入用戶級別以上的密碼，同樣為“SUNRISE”。

2）進入“Service”區域中“series;start-up”選擇垂直菜單“Read;start-up;archive”。

3）選擇需要恢復的NC、PLC數據，選擇垂直菜單“Start”啟動回裝。

定期的對機床NC、PLC數據進行備份，就可以通過系統軟件的總清與恢復的方式解決數控裝置因為軟件問題而出現的各種類型故障（如伺服軸光柵尺被屏蔽、機床軸不生效等），從而提高了VMC100型四坐標加工中心的數控裝置運行的可靠性。

2.伺服驅動系統

伺服驅動系統是接受數控裝置CNC控制單元輸出的脈沖運動指令并將其進行放大，通過直接驅動機床的伺服電機來間接驅動機床的移動部件按照CNC控制單元程序規定的軌跡和速度進行移動和精確定位，加工出符合程序要求的工件。伺服驅動系統是機床的機械移動部件和數控裝置的聯系環節，它的動態和靜態性能直接影響到零件加工的質量，可見提高伺服系統的技術性能和可靠性對機床具有重大意義。現舉例說明如下：

機床正常執行加工程序，當進給倍率低伺服軸運行速度慢時，機床正常運行，一旦進給倍率大伺服軸運行速度變快時，機床突然掉強電，停止加工。這說明機床的功率模塊出現故障，它只能控制伺服電機在慢轉速下運動，一旦倍率大軸速快時，功率模塊無法提供軸快速運轉的電流，造成故障，所以只能更換或修理功率模塊。由此可見，伺服驅動系統對提高了VMC100型四坐標加工中心系統的穩定性具有非常重要的作用。

3.位置反饋系統

本機床中位置檢測反饋系統與伺服驅動系統是相輔相成的，位置檢測反饋系統是應用在伺服軸上的檢測反饋元件檢測伺服軸的位移和速度，發送反饋信號到CNC控制單元，與CNC控制單元發出的脈沖指令信號相比較，控制機床驅動伺服電機向著消除偏差的方向運動，這樣機床就會按照要求加工出符合要求的零件。位置檢測反饋裝置與伺服驅動裝置相同，它的精確度直接影響到零件的加工，所以提高位置反饋系統的性能是非常必要的。

現舉例說明如下：機床運行工件程序走Y軸時，造成加工的零件超差，機床本身并無報警。

分析本機床采用增量式編碼器，采用第一、第二兩個測量系統，第一測量系統采用直線光柵尺，直接測量機床執行元件的實際位置，第二測量系統采用電機編碼器，通過測量電機轉數來測量執行元件的位置，當機床走Y軸時，編碼器數值應跟隨光柵尺數值保持在固定的差值范圍內，但是在機床走Y軸時，剛開始編碼器數值與光柵尺數值之間的差值超過了差值范圍，但機床并為出現輪廓監控報警，經過觀察，發現編碼器數值與光柵尺數值時而保持在差值范圍內，時而超出差值范圍，機床都不出現報警，這就說明機床位置檢測反饋系統或伺服驅動系統有故障，當機床CNC控制單元給出指令脈沖，伺服驅動系統驅動伺服電機運轉，編碼器、光柵尺開始計數，如果兩個測量系統出現任何位置檢測反饋不正確，就會造成輪廓監控報警，應急時解決。

具體步驟：

1）將機床“NCK”復位，檢測機床Y軸伺服控制板和驅動模塊，檢測是否因為控制板或驅動模塊損壞造成發送的運算指令脈沖不正確。

2）檢測機床的第一與第二反饋系統，檢測是否因為斷線造成反饋不準確。

3）檢測機床的第一與第二測量系統，是否因為測量系統故障或測量系統臟造成誤差。經過上述檢測，可以解決機床出現的故障，說明定期檢測伺服系統與位置檢測反饋系統可以消除一系列系統報警（如機床無法返回參考點等），同樣提高了VMC100型四坐標加工中心的運行的可靠性。

4.線路器件

機床的各組成線路器件對機床的系統穩定性也是具有重要作用的，機床的強電系統和弱電系統都是通過各電器件，如斷路器、接觸器、繼電器、航空插頭等，任何器件的損毀都會影響機床的工作，所以定期的對電器件檢測是非常必要的。

5.總結

根據以上分析，我們總結出VMC100型四坐標加工中心的數控裝置、伺服驅動系統、位置反饋系統、線路器件對提高機床系統的穩定性具有非常重要的作用，數控裝置、伺服驅動系統、位置反饋系統是數控機床的重要電氣組成系統，三大系統相輔相成，缺一不可，定期的對機床數控裝置的NC、PLC數據進行備份，定期的對伺服驅動系統元器件檢修以及位置檢測反饋系統的檢測和反饋裝置進行檢修，定期更換機床老舊器件可以消除控制系統存在的隱患，保證機床正常運轉，提高VMC100型四坐標加工中心的系統穩定性。

參考文獻

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作者簡介：蔡丹（1978—），遼寧沈陽人，大學本科，工程師，現供職于中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，研究方向：數控技術。