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關于三菱M70系統的數控磨床改造

某用戶的一多齒軋輥磨床其控制系統原采用專用計算機，后因使用年久，其控制顯示系統老化無法正常工作，需要進行改造。經過綜合分析，筆者決定采用三菱M70 數控系統對其進行改造。該磨床經改造后其功能滿足了客戶的各項要求，而且提高了系統可靠性和加工程序的編程柔性，現將改造調試過程及磨床程序的編制做一介紹。
一．     基本配置
該多齒軋輥磨床的機械部分可以保持留用，其運動軸如下：
1.) 工作臺移動軸――該軸帶動工件做循環往復運動，承重量大.
2.）分度軸――由于磨削對象是多齒軋輥，而且軋輥的齒數也經常變化，所以要求CNC 系統有很高的分度精度.
3). 磨削砂輪軸――該軸驅動磨削砂輪上下運動，還必須與工作臺移動軸做插補運動。
4). 修刀器軸――該軸驅動修刀器上下運動，實現對主砂輪的修磨。
本次改造采用的數控系統是三菱M70系統，其主要配置如下：
1.     控制器：三菱M70;
2.     伺服驅動器：MDS-C1-V2-7035
3.     伺服驅動器：MDS-R-V1-80;
4.     伺服驅動器：MDS-R-V1-20;
5.     伺服電機：HA700NC-SR/OSE104;（7KW/2000RPM）
6.     伺服電機：HA100NC-S/OSE104; （2KW/2000RPM）
7.     伺服電機：HF354S-A48（3.5KW/2000RPM）
8.     伺服電機：HF105S-A48（1KW/2000RPM）
9.     電源單元：MDS-C1-CV110
在該配置中，有四套伺服電機，其中
A) HA700NC ――7KW電機用于工作臺往復運動，該軸為X軸。加工工件置于工作臺上；
B) 伺服電機HA100NC 2KW 用于Z軸，Z軸用于驅動主砂輪上下運動，Z 軸可以與X軸做插補運動，
C) 伺服電機 HF354S-A48 3.5KW電機用于分度軸，帶動工件旋轉分度；多齒軋輥磨床最主要的功能就是需要分度。
D) 伺服電機 HF105S-A48伺服電機用于驅動砂輪修刀器。
主砂輪的旋轉通過變頻器控制，轉速可以通過CNC 系統控制。
整個系統的制動為“電源再生制動”。所以系統配備了電源再生單元：MDS-C1-CV110；
本系統的配置特點是：成本低。對于大功率伺服電機采用了“一拖二”雙驅動器；即采用一臺驅動器MDS-C1-V2-7035   控制兩臺伺服電機。該驅動器能控制一臺7KW電機和一臺3.5KW電機。本工程中使用的是一臺7KW電機和一臺2.0KW電機。
另一特點是不同類型的驅動器共用，在本系統配置中，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機范圍最大是3.5KW,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。

二．   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機工作扭矩的要求，選用額定扭矩較小的電機以降低成本。
配用在Z軸上的伺服電機為HA100NC-S，其額定速度2000RMP, Z軸螺距為10mm，減速比＝60,因此
Z軸實際額定速度＝[2000/60]*10
               = 333mm/分
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？
通用伺服系統可以通過調整“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；（即驅動電機一轉所需要的脈沖）
2.)機械減速比；
3.)螺距；
由以上參數經過計算可以獲得每一脈沖對應的運行距離。而每秒鐘發出的脈沖數即確定了運行速度；
而在數控系統中，沒有專門的“電子齒輪比”參數，
但實際上在三菱 M70CNC中由于有下列參數：
1. #2219------編碼器分辨率
2 #2218------螺距；
3 .#1003----輸入指令單位
#2201----電機側齒輪數
#2203----機械側齒輪數
當以上參數設定后，NC　內部已經計算出了電子齒輪比。
其中參數#2218, #2219其含義比較明確，
參數#1003-----設定“輸入單位”； #1003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對其他參數的影響；
與之相近的另一參數是#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，也可以與#1003不同，但僅僅只對程序中的移動量起作用，對其他參數不起作用。必須注意：如果在程序移動量中使用了小數點。則數值以“毫米”為單位；　
一般來說參數#2201　#2202構成一個齒輪箱。#2201—是連接在電機軸上的齒輪數，#2202—是連接在機械軸上的齒輪數；而實際現場，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，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數值，速度變快。增加#2202數值，速度變慢。
以上是對數控系統內與“電子齒輪”有關參數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機速度－減速比－螺距三因素決定，電機速度的最大值就決定了砂輪箱（Z）的最大速度。調節電子齒輪比只能調節每一指令單位對于的實際移動距離，而無法改變實際“最大速度”的值。
所以最大速度必須在對電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—0.03mm之間。按Z軸額定速度：333mm/m計算，運行時間在0.0018—0.0054秒，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，選用適當的電機。

2.2             插補速度的限制；
該系統調試完畢，在實驗其加工程序時出現下列情況：
2.2.1 運行自動加工程序時，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運行速度F1200;
2.2.2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#2002設定。該數值即Z軸額定速度――333mm/m
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。這個問題提出來就教與高手。
2.3            Z55報警及其排除；
該系統調試完畢試加工時經常隨機出現“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“Z55 遠程I/O單元未連接”報警。為什么會這樣呢？
Z55 報警的一般原因是：在控制器和 RI/O 之間的通訊出現了故障：“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插頭松動或出現電纜故障時，會出現Z55報警。
2.       當主電機回路絕緣不好時出現過Z55報警。這是電機的接地線    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SH411電纜。由于其沒有屏蔽線接地，會受到外部干擾也出現Z55報警。（特別是電柜內裝有變頻器時）而且其報警出現是隨機的，沒有規律。
4.     上電順序不對也會出現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。
必須注意：當控制器與RI/O 在同一控制柜內時?？梢杂肧H411
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， “FUCA-R211”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. 對RI/O 的供電是否正常。檢查電源的容量和電壓；。
3. RI/O 單元硬件有故障。

三．    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）前進執行砂輪修磨
5.）工作臺（X軸）往復運動執行工件修磨；
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不同，要求系統能實現任意的分度。
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。單齒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。單齒精磨是指主砂輪對軋輥每一齒修磨２次。即工作臺走雙向行程。
3.     ）精磨粗磨即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.     ）每一軋輥的全齒數修磨稱為一圈修磨。一圈修磨也分為粗磨和精磨。每一圈的磨削量可以任意設定。
6.     粗磨的圈數和精磨的圈數要求可以任意設定。

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.      )以單齒的粗磨循環做為一個子程序；
2.      )以單齒的精磨循環做為一個子程序；
3.      )以N個單齒粗磨循環構成為一個“整圈粗磨子程序”；
4.      )以N個單齒精磨循環構成為一個整圈精磨磨子程序；
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.      )所有需要設置的數值均以變量表示。

現以單齒精磨子程序為例進行說明：
　　　　　　　單齒精磨子程序　　P9000
N8 G91G1 Zz F300---(Z軸下降一修磨量)
N9 G90 G1Yy F400--(Y軸運動到修刀基準位置)
N10 G90G0Xx1----------(X軸正向快進到砂輪修磨點)
N15 G90G1Xx2 F100----(修砂輪行程)
N20 G90G0Xx3-----------(輔助行程)
N25 G90G0Xx2----------(換向輔助行程)；
N30 G90G1Xx1 F100----(修砂輪行程)
N35 G90G0Xx5-----------(X軸運動到工件起點)
N38 M20-------------------(標定當前磨削齒數)
N40G90G1Xx6 F200----(X軸負向運行磨工件)
N45G90G1Xx5 F200 ----( X軸正向運行磨工件)
N50 G91G1A#100 F100—(分度軸執行分度)
　　
單齒磨削構成了加工程序的基礎?！≌δハ鞒绦虻木幹剖窃谄浠A上完成。整圈磨削程序如下：

3.4 　整圈精磨子程序
N10 M98 P9000 L#127;
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，#127是一變量，其數值為軋輥的齒數，實際操作中為保證加工質量，該數值＝齒數＋２
    　單齒粗磨子程序和整圈粗磨程序與精磨程序類似。
由此可以構成整個加工程序。
四．PLC 程序于加工程序的關系
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一些特殊的要求。
　在本次設備改造中，除常規的主軸正轉，主軸停止，開關冷卻液等功能外，客戶還要求能夠系統能夠顯示當前正在磨削的“圈數”和“齒數”。
在三菱CNC 操作界面上，能夠顯示數據的有“刀號T”和“加工件數”。磨床上沒有使用　“刀號T”，故可用其來顯示“加工圈數”。
4.1“當前磨削齒數”的處理
“當前磨削齒數”可以通過設置為“加工件數”來顯示。具體操作方法為：
設置加工參數　#8001＝20; 其含義是定義M20 為工件計數標志。當加工程序中出現M20時，就進行一次計數；相應地
在單齒精磨子程序　　P9000　程序中，編制
N38 　M20-------------------(標定當前磨削齒數)
就可以在屏幕上的工件計數位置觀察到齒數的變化。
4.2 加工圈數的顯示：
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＝2”）

#1132是一NC內部變量，其對應PLC內的R172接口；
所以必須在PLC 程序內做如下處理;

即將文件寄存器R172 內的數值隨時送入到“刀號寄存器R36”中，這樣就可以隨時觀察到“當前磨削圈數的變化。

結語：該磨床經改造后，運行穩定，加工程序能適應不同齒數的軋輥磨削，用戶滿意。

標簽：三菱 M70

分類：機床討論

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