曲軸淬火機床運動控制的分析與設計

1軸機床要求曲線過載機是一種專門用于散曲過載的高科技設備。它的運動控制復雜，精度要求高。機床運動軸6個,其中第1軸為大拖板移動軸,第2軸為工件旋轉軸,第3軸為感應器的前后運動軸,第4軸為感應器的上下運動軸,第5軸為上料架軸,第6軸為小拖板移動軸。該機床的主要動作要求是:a.機床必須具備自動、點動(JOG)、手輪、手動定位、原點返回等工作模式。必須具備手動單步加工和全自動加工,一鍵啟停的功能;b.旋轉軸在加熱淬火工藝階段必須能夠按工藝要求的速度旋轉。該速度可以在控制系統(tǒng)屏幕上任意設定,旋轉時間由各淬火工藝參數(shù)設定。在當前部位淬火完畢后,旋轉軸必須能夠精確定位,以便能夠對下一關鍵部位進行淬火;c.大托板運動軸,小托板運動軸必須具備一鍵定位功能;d.感應器運動軸必須與旋轉軸做3軸聯(lián)動運行,保證感應器與曲軸工件的適當間隙,以保證淬硬層深度;e.上料軸要求能夠在自動加工過程中實現(xiàn)手動自動同時控制功能,以加快生產節(jié)拍。2網絡連接系統(tǒng)的硬件配置和功能2.1考慮功能性的原則基于對曲軸淬火機床運動控制要求的分析,綜合功能性、可靠性、經濟性多方面的考慮。決定以三菱M70CNC系統(tǒng)為核心,構建曲軸淬火機床的控制系統(tǒng)如圖1,其核心硬件配置見表1。2.2輸入/輸出單元a.數(shù)控系統(tǒng)M70A可控制數(shù)控軸6、主軸4,具備雙系統(tǒng)功能;b.輸入/輸出單元DX350,DX110用于接收和處理機床外部的各種信號,如加熱、噴水、各限位開關信號;c.伺服系統(tǒng)(伺服驅動器+伺服電機)用于各運動軸。3關鍵技術的開發(fā)3.1軸聯(lián)動運行淬火工藝要求感應器運動軸必須與旋轉軸做3軸聯(lián)動運行,保證感應器與曲軸工件的適當間隙,以保證淬硬層深度。工件旋轉軸的運動與感應器的上下前后運動的聯(lián)動程序該如何編制呢?3.1.1旋轉軸步長和速度關系首先考慮的方案是:以旋轉軸的角度為變量,編制程序如下:采用以上程序運行時,觀察到a.旋轉軸的速度變得不均勻,在90°和180°,270°位置處速度變慢;b.旋轉軸的運行速度用F指令調節(jié)效果不大,此時的F指令規(guī)定的是兩軸速度的矢量值。對旋轉軸的運行速度有明顯影響的是變量“#1”,變量“#1”代表的是旋轉軸的步進增量。由于加熱工藝要求旋轉軸必須均勻旋轉,所以程序100被放棄了。3.1.2旋轉軸控制器經過仔細觀察機床的運動,旋轉軸的一次圓周運動可以被分解為四步,即運動到90°、180°、270°、360°位置,而相應于這些位置,采用程序200運行,旋轉軸運行平穩(wěn)均勻,三軸能聯(lián)動運行,能有效的用F指令調節(jié)速度,現(xiàn)已作為標準程序使用。3.2中斷宏程序插裝淬火機床要求其夾持工件的運動軸在加熱時做恒速旋轉,當加熱完成后又能夠定位于某一位置,便于下一工序的執(zhí)行。這一要求的實質是要求NC伺服軸在某一區(qū)段做旋轉運行,某一區(qū)段做定位運行。經過分析和實驗,決定采用三菱M70數(shù)控系統(tǒng)的中斷指令及宏程序插入功能實現(xiàn)這一要求。在三菱M70數(shù)控系統(tǒng)的PLC接口中,有專用中斷接口YC25。當在PLC程序中使YC25=ON,中斷功能即生效。中斷功能生效時,正在運行的加工程序會立即停止轉而執(zhí)行預先編制好的“中斷宏程序”,當“中斷宏程序”執(zhí)行完畢后,又繼續(xù)執(zhí)行主加工程序。如圖2所示。淬火機床主加工程序如下:在PLC程序中,當加熱處理完畢時,由加熱處理完畢信號驅動PLC程序中的中斷接口YC25,當YC25被驅動時,正在執(zhí)行的當YC25被驅動時,是立即結束執(zhí)行當前的程序段轉入中斷程序,還是執(zhí)行完當前程序段以后再轉入中斷程序,可以通過參數(shù)選擇。設定#1113=0,則立即結束執(zhí)行當前的程序段轉入中斷程序。設定#1113=1,則執(zhí)行完當前程序段以后再轉入中斷程序。與中斷相關的參數(shù)還有#1112,這個參數(shù)的含義是在YC25=ON的條件下,中斷程序是執(zhí)行一次還是反復執(zhí)行。以程序500為例:當#1112=0,遇到YC25從OFF→ON的上升沿,立即執(zhí)行M96指定的中斷程序(程序500),而且只執(zhí)行一次。當#1112=1,且YC25=ON并一直保持YC25=ON,則M96指定的中斷程序(程序500)被反復執(zhí)行,直到YC25=OFF,在執(zhí)行完當前的中斷程序后,回到由中斷程序指定的主程序單段上。M96和M97是三菱NC規(guī)定的特殊M指令。M96是“中斷宏程序插入”有效。M97是“中斷宏程序插入”無效。其意義為在M96和M97指定的加工程序區(qū)間段內,“中斷宏程序插入”有效。以程序500為例:在N110～N145程序段內均有效。3.3操作軸向特定工況由于熱處理工藝的多樣性要求,淬火機床在手動模式下要求大小拖板軸能夠實現(xiàn)“一鍵定位”,即用一鍵操作使控制軸到達特定的工位以完成加工要求;為了實現(xiàn)這一特殊要求,經過分析和實驗,決定利用“手動隨機進給”方式來實現(xiàn)這一要求。使用“手動隨機進給”要在PLC程序內做大量的設置程序,PLC程序的編制相對復雜。在M70數(shù)控系統(tǒng)中,與“手動隨機進給”有關的接口如下:3.3.1“動手隨機進給”模式當Y0C03=ON,系統(tǒng)進入“手動隨機進給”模式。“手動隨機進給”模式可以在“自動-手動同時有效”狀態(tài)中使用;“手動隨機進給”由于具有“定位”的功能,所以與定位有關的參數(shù)都必須進行設定。3.3.2動手定位的軸就象大型設備有三個手輪一樣。在實際操作中首先必須選定需要進行手動定位的軸,這需要在PLC程序中處理。各操作站的運動軸選擇信號如下:YCA0～YCA7第1站相關軸選擇信號YCA8～YCAF第2站相關軸選擇信號YCB0～YCB7第3站相關軸選擇信號3.3.3移動距離下列三個文件寄存器用于設置各軸的運行位置:R2544:第1站移動距離;R2548:第2站移動距離;R2552:第3站移動距離;在PLC程序程序中必須向以上的R寄存器里寫進需要運行的距離,如圖3所示。3.3.4坐標系的確定既然是定位,就必然需要確定坐標系。Y0CBC就是用于確定所采用的坐標系。當Y0CBC=OFF,采用機械坐標系;定位位置以機械坐標系為準。當Y0CBC=ON,采用工件坐標系;定位位置以工件坐標系為準。3.3.5增量值的選擇當Y0CBD=OFF,選擇絕對值。這時Y0CBC所確定的坐標系有效;當Y0CBD=ON,選擇增量值;這時,移動量與坐標系無關,而只與當前位置有關。當以上所有的限制條件都設定完畢后,還有兩個最重要的信號:“啟動”和“停止”。3.3.6y0cbe-wol當Y0CBE=OFF,軸移動停止。而且當Y0CBE從OFF→ON時,軸又重新開始移動。這與“自動暫停”的功能不同,需要特別注意。3.3.7plc程序編制Y0CBF=ON,定位運動開始。注意,這個信號的下降沿脈沖有效,這是最重要的信號。在對加工工藝反復實驗后,編制PLC程序見圖3。經過長時間運行實驗,該PLC程序完全滿足了大小拖板軸的“一鍵定位”要求。4在系統(tǒng)調試過程中，解決問題和故障4.1加工程序沒有嚴格限制“中斷區(qū)間”在系統(tǒng)調試之初,曾經出現(xiàn)在非加熱程序段運行“中斷程序”的問題,經過檢查,發(fā)現(xiàn)是計數(shù)信號錯誤引起。但加工程序中沒有嚴格限制“中斷區(qū)間”也是引起程序錯誤運行的原因。為此使用M96～M97指令嚴格的規(guī)定了“中斷區(qū)間”,只有進入該區(qū)間后,接收到“中斷指令”才可執(zhí)行“中斷程序”。在“中斷區(qū)間”之外,即使接收到“中斷指令”也不能執(zhí)行“中斷程序”。經過改進的程序其安全性得到可靠保證。4.2機床固有頻率也會發(fā)生共振一臺淬火機床在工廠調試完畢,交付客戶后重新安裝,客戶報告開機運行時分析:伺服電機運行出現(xiàn)悶響是振動的一種,一般是伺服電機的運行頻率區(qū)域與機床的固有頻率區(qū)重合,形成共振而表現(xiàn)成劇烈的振動。由于該機床經過運輸后重裝,其固有頻率可能發(fā)生改變,形成了共振。處理:建議客戶修改參數(shù)#2238。該參數(shù)的作用是設定“共振頻率”,如果機床的安裝發(fā)生比以前更緊固,則降低該參數(shù)值,反之升高?？蛻粽沾诵薷膮?shù)后,振動消除。4.3軸的續(xù)續(xù)移動一臺淬火機床交付客戶使用后,客戶報告出現(xiàn)“手輪暴走故障”。故障現(xiàn)象:“在手輪模式下,一旦搖動手輪,其對應的伺服軸就亂走,更奇怪的是,在停止搖動手輪時,該軸還繼續(xù)移動”。對于“手輪暴走故障”,第一判斷是手輪有問題,但更換手輪后仍然出現(xiàn)同樣現(xiàn)象.于是懷疑附近有大的干擾源存在,經檢查,在該淬火機床附近,有一配有大功率