三菱M70A系統在車銑復合加工中心上的應用

■ 大連大森數控技術發展中心有限公司 （遼寧 116023） 李洪波 馮明霞 李怡萱

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1. 實現方法分析

（1）機床的配置和功能要求。該機床是根據客戶實際需求，結合通用復合機床的控制原理，以側重于汽車零部件加工為主進行設計。機床采用動柱式龍門結構，其中，X1、X2軸采用同期控制，Y軸單獨控制，Z1、Z2軸采用同期控制，B軸采用搖籃式擺動軸，B軸上裝有A、C兩個旋轉軸，刀庫采用PLC軸控制，主軸采用伺服主軸，NC軸和主軸共計10個軸。機床結構如圖1所示。

（2）數控系統選型。根據機床的配置要求，參照三菱M70A的系統規格表（見表1），M70A的銑床版本，最多可以控制8個NC軸、6個PLC軸和2個主軸，總控制軸數最多11個，符合該機床的控制要求。

根據機械設計人員提供的機床各軸工作特性和轉矩要求，選擇配置如表2所示。

各軸電動機分配如表3所示。

2. 技術難點分析

（1）系統總控制軸數為10軸。根據機床的整體設計要求，總控制軸數必須達到10軸。其中，設計刀庫時，原計劃也要采用NC軸控制，但是限于M70A系統的NC控制軸數最多是8個，只能將刀庫改為PLC軸控制，這樣，機床一共有10個軸，其中有8個NC軸、1個PLC軸和1個主軸。伺服連接后，如圖2所示。

圖1 機床結構

根據系統軸名稱的命名規則以及便于控制和識別的原則，將各軸命名及通道編號設置如表4所示。

其中，X和U作為一組同期控制軸，Z和W作為一組同期控制軸，P作為PLC軸。

硬件連接和檢查完畢后，開始通電調試。根據三菱標準參數表，設置好系統基本參數以及各軸參數后，系統上電，出現報警“Y07 連接軸數超限 0001”，如圖3所示。

再次核對M70A的規格表，機床實際連接軸數均符合要求，沒有超過限制軸數。因為PLC軸的控制方式有別于NC軸，于是去掉PLC軸，重新上電，還是出現相同報警；再去掉主軸，同時將#1039參數設為0，這時不再報警。經過進一步試驗發現，無論去掉NC軸、PLC軸還是主軸，只要總的連接軸數為8個或以下，就不發生報警，據此判斷，應為規格所限。連接手冊中有一處說明，1個伺服通道最多只能連接8個軸，8個軸以上時，可以增加擴展單元（FCU7-EX891+HN552），擴展一個光纜接口。但是，增加的硬件訂貨周期較長，又增加額外成本。后來，查詢到#11012參數，可以設定通道1的最多連接軸數，將其設定為1時，最多可連接16軸，但“OMR-DD”功能（與高速剛性攻螺紋有關）不可使用，因為MDS-D-SVJ3系列伺服本身不能使用“OMR-DD”功能，可以忽略此條件，報警問題得到解決。如表5所示。

表1 M70A系統規格

表 2

表 3

表 4

圖2 伺服連接圖

圖3 “連接軸數超限”報警

連接正常后，屏幕坐標顯示如圖4所示（注：PLC軸在坐標畫面不顯示）。

（2）PLC軸控制刀庫。前面提到，機床設計方案中，刀庫采用伺服控制，但是限于M70A的NC軸數限制，只能改為PLC軸控制。刀庫結構和控制原理是特殊設計的，與傳統的斗笠式刀庫和刀臂式刀庫都不一樣，因此，刀庫動作流程和控制方式也與傳統的刀庫不同，宏程序的編寫也要按動作流程重新設計。刀庫樣式如圖5所示。

刀庫共有30個刀套，采用固定刀套的方式，控制原理類似于鉆攻機的夾臂式刀庫。根據刀庫動作流程，先編寫換刀宏程序如下：

%

#199=#4003

#198=#4006

IF[#1016EQ1]GOTO100

M5

M34

G21G91G40

N20G30P2Y0Z0M19

IF[#1200EQ1]GOTO40

GOTO20

N40G30P3X0

M10

表 5

圖4 坐標顯示畫面

圖5 刀庫樣式

G30P3Z0

M54

G30P2Z0

M11

G30P2X0

M5

M35

N100#1100=1

G#199G#198

M99

%

對于換刀流程中的氣動裝置，刀庫門開關等控制，都是用M代碼編寫，不存在難點，主要在于M54選刀指令，PLC中與刀庫相關的旋轉和計數等指令和功能，都要改為PLC軸的方式進行控制，這種控制方式的優點是，可以快速和精準地到達預定刀套位置，從而提高換刀速度。

根據《M700系列PLC編程說明書》中的PLC軸控制說明，如圖6所示，編寫PLC軸的控制旋轉部分。

編寫的PLC內容如圖7所示。

調試PLC時，遇到一個問題，無論通過宏程序變量，還是通過PLC中寄存器的方式，每次將移動數據傳送到R9448寄存器時，PLC軸都可以移動，但是，再次傳送移動數據到R9448寄存器，執行下一步移動時，PLC軸卻不動作。監控PLC軸狀態時，發現R9441的bit2（軸移動中信號），一直在接通。檢查PLC控制邏輯并與《M700系列PLC編程說明書》中的示例進行對比，沒有發現異常。后來，在說明書中沒有相關說明的情況下，我們嘗試在PLC軸控制時，對“移動結束” 狀態進行主動復位，問題解決。修改好的PLC內容如圖8所示。

刀庫中有30個刀套，每個刀套間隔12°，將旋轉角度經計算后，由D203傳送到寄存器R9446，實現刀套的精確定位。

（3）二組同期軸控制。為了保證機床的機械剛性和穩定性，機床設計為二組同期軸控制，即X軸和U軸同期，Z軸和W軸同期。

圖6 PLC軸第1軸中的PLC軸控制流程

圖 7

參照《M700系列PLC編程說明書》中的說明，考慮到是4個軸參與同期，而寄存器R2589又無法分別指定，于是嘗試將二組同期軸數據同時指定，實際上該方法完全可行。

指定方法：通過第1系統R2589寄存器，第2系統R2789寄存器指定同期控制。通過操作與R2589/R2789寄存器對應的各軸的位，切換同期控制的ON/OFF、NC在所有軸就位時進行動作的切換。

同期運轉方式的指定：通過基本規格參數的slavno，打開與主動軸、從動軸相關的軸對應的兩位。例如同期運轉第2軸（主動軸），第3軸（從動軸）時，如表6所示。

單獨運轉方式的指定：使用主動軸指令打開欲使其運轉的任意一軸相對應的位。例如僅移動第3軸（從動軸）時，如表7所示。

實際編寫的PLC內容如圖9所示。

同期軸動作正常后，又出現新的問題，也就是X軸移動速度不能太快。機床的設計快移速度是48m/min，結果，實際移動速度達到8m/min左右時，負載電流就會升高到300A以上，同時出現“過負載2”報警，如圖10所示。再測試Z軸，也存在相同的報警問題。

考慮到同期軸可能存在的機械方面的同期誤差，我們建議機械裝配人員對機械同期性進行檢測，未發現問題。而且，Z軸中的兩個同期軸跨度只有400mm左右，因機械不同期而產生過負載的可能性很小。于是，我們脫開X軸兩個同期控制電動機，用手轉動絲杠，負載很輕。再上緊一個電動機，另一個電動機繼續脫開，也就是用一個電動機帶動雙立柱運動，沒有發生報警。試驗中，只要2個電動機同時上緊，就會出現報警，因此，可以排除機械卡住、電動機功率選小等原因。另外，一個奇怪的現象是，只有執行G00指令時才出現報警，而用RAPID方式移動，相同的快移速度，卻不產生報警。

圖 8

表 6

表 7

圖 9

于是，重點檢查系統參數。首先核對伺服參數，沒有問題；然后是加減速時間常數，加大和減小設定值，均無效果。接下來，對系統參數逐一核對，當檢查到#2068參數時，發現異常，其中，X、Y、Z、B四個軸的設定值是50，而C、A、U、W的設定值是0，該參數是“G00前饋增益”，于是，將X、Y、Z、B的值改為0，再次試驗，負載電流處于正常范圍，并且沒有報警，將快移速度提高到48m/min，也沒有報警，問題解決。分析原因，應該是系統通電調試時，導入系統的是一套四軸加工中心的參數，并在此基礎上，進行的10個軸的參數擴充和完善。原來的四個軸的#2068參數有設定值，而后擴展的幾個軸的#2068參數都是默認值0，使得每組同期控制軸中的二個軸的“G00前饋增益”不一致，導致“過負載2”報警的發生。

3. 機床應用領域

圖10 “過負載2”報警

該機床X軸和Z軸均采用同期控制，提高了機床剛性和穩定性，采用搖籃式B軸，上面加裝2個旋轉型A、C軸，可實現5軸類多零件加工。同時配備PLC軸刀庫，換刀和選刀速度快，適合高效率加工。目前，該機床已應用于汽車等行業的零部件高效高精加工。機床主要結構及典型加工件如圖11、圖12所示。

圖11 搖籃式擺動軸和雙轉臺結構

圖12 加工的典型汽車零部件

4. 結語

車銑復合加工中心，以其緊湊、高效及高精度的復合加工方式，受到加工行業的歡迎。隨著我國制造業水平的快速發展，以及對加工制造業越來越高的品質需求，車銑復合加工中心也一定會得到越來越廣泛的普及和應用。