基于FANUC 0i-TF數控系統(tǒng)實現無心磨床砂輪恒線速控制
2019-10-25 來源： 無錫機床股份有限公司 作者： 李 毅
摘要：本文敘述了在MK1050A-CHL無心磨床上應用日本最新FANUC 0i-TF數控系統(tǒng)實施砂輪恒線速的精確控制方法，實現了產品加工尺寸的進一步穩(wěn)定，加工零件表面粗糙度的一致性明顯提高。
無心磨床在磨削加工過程中，砂輪恒線速的精確控制對穩(wěn)定工件的加工精度和表面粗糙度有著至關重要的影響，為了充分發(fā)揮并提升無心磨床的加工控制能力，必須探求最新數控系統(tǒng)在磨床中的實施。FANUC 0i-TF數控系統(tǒng)是日本FANUC公司的新一代先進數控系統(tǒng)，擁有能夠進行納米單位精密運算的伺服技術。本文以MK1050A-CHL無心磨床為例，介紹了應用FANUC 0i-TF數控系統(tǒng)實現無心磨床砂輪恒線速控制的3種方法。
1.機械傳動結構及電氣部件設計
無心磨床MK1050A-CHL的砂輪安裝在砂輪主軸上，如圖1所示。砂輪主軸的一端裝有直徑為DA的皮帶輪A。砂輪電動機端裝有另一個皮帶輪B，直徑為DB。砂輪主軸由砂輪電動機通過皮帶驅動。皮帶輪B為驅動輪，皮帶輪A為從動輪，兩個皮帶輪的線速度一致。
砂輪電動機設計選用國產YX3-160L-4-B3型，功率P=15kW，額定轉速nD=1 470r/min，380V/50Hz的電動機。該電動機由變頻器驅動，變頻器選用施耐德ATV312型變頻器，電路圖如
圖2所示。AI1和COM端子間輸入0~10V的模擬量電壓，由此對砂輪電動機轉速進行調節(jié)。LI1和+24V端子用來控制砂輪電動機的起停。
圖1 砂輪傳動結構
1.皮帶輪A 2.皮帶 3.皮帶輪B 4.砂輪電動機
2.實現無心磨床砂輪恒線速控制的三種方法
（1）方法一：利用FANUC系統(tǒng)自帶的模擬主軸控制功能，通過NC程序賦值，并將接口JA40的模擬量電壓信號接入變頻器，實現對砂輪電動機的變頻調速，從而實現砂輪的恒線速控制。
首先設定相關參數。由于砂輪電動機選用的是額定轉速為nD，380V/50Hz的電動機。將變頻器ATV312中的參數“最高頻率”設置成100Hz，當輸入到變頻器中的模擬量電壓為+10V時，砂輪電動機將以100H z頻率運行，即以轉速2nD運轉。考慮到砂輪主軸與砂輪電動機間存在DB：DA的減速比，將FANUC系統(tǒng)中參數No.3741、No.4020設置成nm。（主軸電動機最高轉速nm=2nDDB/DA）。
No.3741=n m，指令電壓為10V時的低速齒輪的主軸轉速。No.4020=nm，主軸電動機最高轉速。No.8133#5=1，參數SSN，設1表示模擬主軸，不使用主軸串行輸出。
No.3717=1，參數ISI，設1表示使用連接1號放大器上的主軸。No.3716#0=0，參數A/Ss，設0表示主軸電動機的種類為模擬主軸。No.3735=0， 最小鉗制速度。
圖2 砂輪電動機控制電路
No.3736=n m，最大鉗制速度。No.4056=100，傳動比，100表示1∶1。No.3706#6=1，No.3706#7=1，確定主軸速度指令輸出極性。NC程序編寫如下：
宏變量#702表示砂輪恒線速速度，由用戶根據加工工藝要求設定。宏變量#638表示砂輪當前直徑，隨著砂輪修整動作的執(zhí)行，砂輪當前直徑會隨修整量變化。宏變量#520表示當前砂輪主軸轉速，運算得出。PMC程序編寫如圖3所示。
圖 3
在PMC程序中，R9091.1是長通信號，G30表示主軸倍率。將G30設置成100，表示主軸倍率固定為100%。若主軸倍率可調，極易造成砂輪線速度超速，引發(fā)砂輪炸裂， 那是非常危險的。G29.6設1表示主軸運行。
設置完成后， 接通變頻器的啟動端，砂輪即按設計運算要求的速度運轉。此種方法利用系統(tǒng)自帶端口，無需增加成本，程序編寫方便。但每次機床開機運行，都必須先加載運行一遍NC程序中的模擬主軸轉速賦值程序，不然砂輪無法運轉。
（2）方法二：利用FANUC系統(tǒng)自帶的模擬主軸控制功能，通過PMC程序賦值，實現砂輪的恒線速控制。
針對方法一的不足之處，改進控制方法。仍然使用接口JA40引模擬量電壓信號接入變頻器，實現對砂輪電動機的變頻調速，但采用PMC控制主軸旋轉。這種方法不需要通過NC程序賦值，直接通過PMC程序賦值，從而實現砂輪的恒線速控制。機床開機運行，不必先運行一遍NC程序中的模擬主軸轉速賦值程序，砂輪即可運轉。所有恒線速的運算都將在PMC程序中執(zhí)行。用戶對砂輪線速度的設定要求通過宏變量參數#702輸入，砂輪當前直徑也存放在宏變量參數#638中。我們首先要將相關宏變量參數讀入PMC程序地址中。編寫如圖4所示PMC程序。
圖 4
將宏變量參數#702和#638中的數據分別讀入D470和D360中。查閱PMC模擬主軸控制的相關手冊得知，主軸接口JA40模擬量輸出地址中的數值與模擬量模塊輸出到變頻器ATV312中的電壓成正比，且模擬量輸出地址中的最大數值Km設定為4095。故當定義的模擬量輸出地址為4095時，模擬量模塊輸出到變頻器ATV312中的電壓為+10V。與方法一相同，將變頻器ATV312中的參數“最高頻率”設置成100Hz，該變頻器收到來自JA40口的輸出電壓+10V時，砂輪電動機將以100Hz頻率運行。此時模擬量定義輸出地址D565中的數值KD565可由以下公式運算得出：
式中：VA為砂輪線速度，單位為m/s。該參數由用戶根據實際加工工藝需要，自行設置；dA為當前砂輪的直徑，單位為mm；DA為砂輪主軸端皮帶輪直徑，單位為mm；DB為砂輪電動機端皮帶輪直徑，單位為mm；Km為模擬量輸出地址最大值。從上可知，當用戶根據生產工藝需要確定了砂輪線速度以后，若能及時準確地確認當前砂輪的實際半徑，即能確認模擬量定義輸出地址D565中的數值，從而才能實現砂輪磨削線速度的恒定。要特別注意的是PMC控制主軸旋轉方式時，倍率G30是無效的。如圖5 所示， 主軸電動機速度指令選擇信號是G33.7：置0表示CNC控制；置1表示PMC控制。主軸電動機速度指令極性指令信號是G33.6，置0表示控制方向是NC指定；置1表示PMC指定（即G33.6=1時，G33.5才生效）。G33.5可以切換旋轉方向。G32.0～G33.3一共12位，在其中賦值PMC值D565。當G33.7、G33.6和G33.5都為1時，值為57344。在PMC程序中執(zhí)行雙字節(jié)運算，將D565與57344相加再賦值給G32。
由此編寫PMC程序如圖6所示，同樣需要設定相關參數。No.8133#5=1，參數SSN，設1表示模擬主軸，不使用主軸串行輸出。
No.3717=1，參數ISI，設1表示使用連接1號放大器上的主軸。No.3716#0=0，參數A/Ss，設0表示主軸電動機的種類為模擬主軸。No.3735=0， 最小鉗制速度。No.3736=Km，最大鉗制速度。No.4056=100，傳動比，100表示1∶1。
此種方法也是利用系統(tǒng)自帶端口，無需增加成本。系統(tǒng)自動運行相關PMC程序，砂輪隨時可以恒線速運轉，使用方便。
（3）方法三：利用FANUC系統(tǒng)的模擬量模塊，實現砂輪的恒線速控制。當機床需要多個模擬量輸出時， 系統(tǒng)自帶的唯一一個模擬主軸口肯定是不夠用的， 這就需要增加一個模擬
量模塊。此處設計選用12位模擬量輸出模塊ADA02A（A03B-0826-J052）。
在使用前需要在系統(tǒng)中分配地址。該模擬量輸出模塊是一塊雙通道輸出模塊，雖然每個通道均是12位的，但仍需要為其分配四個字節(jié)的地址。地址從Y40開始，如圖7所示。
圖 5
圖 6
圖7 模擬量輸出模塊ADA02A地址分配
查閱模擬量輸出模塊ADA02A手冊得知，當設定模擬量最大輸出值為+10V時，模塊內部定義的模擬量輸出值為Km=2000。同理可用方法二中KD565的公式求得模擬量定義輸出地址D565中的數值。應用PMC程序同樣需要先將宏變量參數#702（砂輪線速度）和#638（砂輪當前直徑）中的數據分別讀入D360和D470中，并在PMC程序中按以上公式進行運算（編程方法已經在方法二中具體描述過了，不再復述）。將D565中的運算值KD565傳入Y40。即可通過模擬量輸出模塊ADA02A的第一通道，對砂輪進行恒線速控制。編寫如圖8所示PMC程序。
此種方法需要增加一個模擬量模塊，成本較高。但需要使用多路模擬量控制時，就必須使用此方法。同樣，系統(tǒng)會自動運行相關PMC程序，砂輪隨時可以恒線速運轉，使用方便。
3.結語
（1）實際使用表明，使用這三種砂輪線速度控制方法的砂輪的跟隨性均非常好，產品加工尺寸穩(wěn)定，能保證加工工件表面的粗糙度一致性且效果明顯。
圖 8
（2）根據機床的結構和功能的需求，可以從上述方法中選取相應的方法。方法二，也就是PMC控制模擬主軸恒線速控制法，目前已在無心磨床MK1050A-CHL、MK1050A-ETJ6的設計制造中運用。實踐表明使用很方便，成本低，精度高，值得推廣使用。
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