曲軸淬火機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的分析與設(shè)計(jì)

曲軸淬火機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的分析與設(shè)計(jì)

1軸機(jī)床要求曲線過(guò)載機(jī)是一種專(zhuān)門(mén)用于散曲過(guò)載的高科技設(shè)備。它的運(yùn)動(dòng)控制復(fù)雜，精度要求高。機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸6個(gè),其中第1軸為大拖板移動(dòng)軸,第2軸為工件旋轉(zhuǎn)軸,第3軸為感應(yīng)器的前后運(yùn)動(dòng)軸,第4軸為感應(yīng)器的上下運(yùn)動(dòng)軸,第5軸為上料架軸,第6軸為小拖板移動(dòng)軸。該機(jī)床的主要?jiǎng)幼饕笫?a.機(jī)床必須具備自動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)(JOG)、手輪、手動(dòng)定位、原點(diǎn)返回等工作模式。必須具備手動(dòng)單步加工和全自動(dòng)加工,一鍵啟停的功能;b.旋轉(zhuǎn)軸在加熱淬火工藝階段必須能夠按工藝要求的速度旋轉(zhuǎn)。該速度可以在控制系統(tǒng)屏幕上任意設(shè)定,旋轉(zhuǎn)時(shí)間由各淬火工藝參數(shù)設(shè)定。在當(dāng)前部位淬火完畢后,旋轉(zhuǎn)軸必須能夠精確定位,以便能夠?qū)ο乱魂P(guān)鍵部位進(jìn)行淬火;c.大托板運(yùn)動(dòng)軸,小托板運(yùn)動(dòng)軸必須具備一鍵定位功能;d.感應(yīng)器運(yùn)動(dòng)軸必須與旋轉(zhuǎn)軸做3軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行,保證感應(yīng)器與曲軸工件的適當(dāng)間隙,以保證淬硬層深度;e.上料軸要求能夠在自動(dòng)加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自動(dòng)同時(shí)控制功能,以加快生產(chǎn)節(jié)拍。2網(wǎng)絡(luò)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(duì)曲軸淬火機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制要求的分析,綜合功能性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性多方面的考慮。決定以三菱M70CNC系統(tǒng)為核心,構(gòu)建曲軸淬火機(jī)床的控制系統(tǒng)如圖1,其核心硬件配置見(jiàn)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(jī)床外部的各種信號(hào),如加熱、噴水、各限位開(kāi)關(guān)信號(hào);c.伺服系統(tǒng)(伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī))用于各運(yùn)動(dòng)軸。3關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)3.1軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行淬火工藝要求感應(yīng)器運(yùn)動(dòng)軸必須與旋轉(zhuǎn)軸做3軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行,保證感應(yīng)器與曲軸工件的適當(dāng)間隙,以保證淬硬層深度。工件旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)與感應(yīng)器的上下前后運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)程序該如何編制呢?3.1.1旋轉(zhuǎn)軸步長(zhǎng)和速度關(guān)系首先考慮的方案是:以旋轉(zhuǎn)軸的角度為變量,編制程序如下:采用以上程序運(yùn)行時(shí),觀察到a.旋轉(zhuǎn)軸的速度變得不均勻,在90°和180°,270°位置處速度變慢;b.旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行速度用F指令調(diào)節(jié)效果不大,此時(shí)的F指令規(guī)定的是兩軸速度的矢量值。對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)行速度有明顯影響的是變量“#1”,變量“#1”代表的是旋轉(zhuǎn)軸的步進(jìn)增量。由于加熱工藝要求旋轉(zhuǎn)軸必須均勻旋轉(zhuǎn),所以程序100被放棄了。3.1.2旋轉(zhuǎn)軸控制器經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察機(jī)床的運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)軸的一次圓周運(yùn)動(dòng)可以被分解為四步,即運(yùn)動(dòng)到90°、180°、270°、360°位置,而相應(yīng)于這些位置,采用程序200運(yùn)行,旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行平穩(wěn)均勻,三軸能聯(lián)動(dòng)運(yùn)行,能有效的用F指令調(diào)節(jié)速度,現(xiàn)已作為標(biāo)準(zhǔn)程序使用。3.2中斷宏程序插裝淬火機(jī)床要求其夾持工件的運(yùn)動(dòng)軸在加熱時(shí)做恒速旋轉(zhuǎn),當(dāng)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(shí)質(zhì)是要求NC伺服軸在某一區(qū)段做旋轉(zhuǎn)運(yùn)行,某一區(qū)段做定位運(yùn)行。經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn),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(shí)現(xiàn)這一要求。在三菱M70數(shù)控系統(tǒng)的PLC接口中,有專(zhuān)用中斷接口YC25。當(dāng)在PLC程序中使YC25=ON,中斷功能即生效。中斷功能生效時(shí),正在運(yùn)行的加工程序會(huì)立即停止轉(zhuǎn)而執(zhí)行預(yù)先編制好的“中斷宏程序”,當(dāng)“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(jī)床主加工程序如下:在PLC程序中,當(dāng)加熱處理完畢時(shí),由加熱處理完畢信號(hào)驅(qū)動(dòng)PLC程序中的中斷接口YC25,當(dāng)YC25被驅(qū)動(dòng)時(shí),正在執(zhí)行的當(dāng)YC25被驅(qū)動(dòng)時(shí),是立即結(jié)束執(zhí)行當(dāng)前的程序段轉(zhuǎn)入中斷程序,還是執(zhí)行完當(dāng)前程序段以后再轉(zhuǎn)入中斷程序,可以通過(guò)參數(shù)選擇。設(shè)定#1113=0,則立即結(jié)束執(zhí)行當(dāng)前的程序段轉(zhuǎn)入中斷程序。設(shè)定#1113=1,則執(zhí)行完當(dāng)前程序段以后再轉(zhuǎn)入中斷程序。與中斷相關(guān)的參數(shù)還有#1112,這個(gè)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(fù)執(zhí)行。以程序500為例:當(dāng)#1112=0,遇到Y(jié)C25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(dāng)#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(fù)執(zhí)行,直到Y(jié)C25=OFF,在執(zhí)行完當(dāng)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(wú)效。其意義為在M96和M97指定的加工程序區(qū)間段內(nèi),“中斷宏程序插入”有效。以程序500為例:在N110～N145程序段內(nèi)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(jī)床在手動(dòng)模式下要求大小拖板軸能夠?qū)崿F(xiàn)“一鍵定位”,即用一鍵操作使控制軸到達(dá)特定的工位以完成加工要求;為了實(shí)現(xiàn)這一特殊要求,經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn),決定利用“手動(dòng)隨機(jī)進(jìn)給”方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。使用“手動(dòng)隨機(jī)進(jìn)給”要在PLC程序內(nèi)做大量的設(shè)置程序,PLC程序的編制相對(duì)復(fù)雜。在M70數(shù)控系統(tǒng)中,與“手動(dòng)隨機(jī)進(jìn)給”有關(guān)的接口如下:3.3.1“動(dòng)手隨機(jī)進(jìn)給”模式當(dāng)Y0C03=ON,系統(tǒng)進(jìn)入“手動(dòng)隨機(jī)進(jìn)給”模式?！笆謩?dòng)隨機(jī)進(jìn)給”模式可以在“自動(dòng)-手動(dòng)同時(shí)有效”狀態(tài)中使用;“手動(dòng)隨機(jī)進(jìn)給”由于具有“定位”的功能,所以與定位有關(guān)的參數(shù)都必須進(jìn)行設(shè)定。3.3.2動(dòng)手定位的軸就象大型設(shè)備有三個(gè)手輪一樣。在實(shí)際操作中首先必須選定需要進(jìn)行手動(dòng)定位的軸,這需要在PLC程序中處理。各操作站的運(yùn)動(dòng)軸選擇信號(hào)如下:YCA0～YCA7第1站相關(guān)軸選擇信號(hào)YCA8～YCAF第2站相關(guān)軸選擇信號(hào)YCB0～YCB7第3站相關(guān)軸選擇信號(hào)3.3.3移動(dòng)距離下列三個(gè)文件寄存器用于設(shè)置各軸的運(yùn)行位置:R2544:第1站移動(dòng)距離;R2548:第2站移動(dòng)距離;R2552:第3站移動(dòng)距離;在PLC程序程序中必須向以上的R寄存器里寫(xiě)進(jìn)需要運(yùn)行的距離,如圖3所示。3.3.4坐標(biāo)系的確定既然是定位,就必然需要確定坐標(biāo)系。Y0CBC就是用于確定所采用的坐標(biāo)系。當(dāng)Y0CBC=OFF,采用機(jī)械坐標(biāo)系;定位位置以機(jī)械坐標(biāo)系為準(zhǔn)。當(dāng)Y0CBC=ON,采用工件坐標(biāo)系;定位位置以工件坐標(biāo)系為準(zhǔn)。3.3.5增量值的選擇當(dāng)Y0CBD=OFF,選擇絕對(duì)值。這時(shí)Y0CBC所確定的坐標(biāo)系有效;當(dāng)Y0CBD=ON,選擇增量值;這時(shí),移動(dòng)量與坐標(biāo)系無(wú)關(guān),而只與當(dāng)前位置有關(guān)。當(dāng)以上所有的限制條件都設(shè)定完畢后,還有兩個(gè)最重要的信號(hào):“啟動(dòng)”和“停止”。3.3.6y0cbe-wol當(dāng)Y0CBE=OFF,軸移動(dòng)停止。而且當(dāng)Y0CBE從OFF→ON時(shí),軸又重新開(kāi)始移動(dòng)。這與“自動(dòng)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(yùn)動(dòng)開(kāi)始。注意,這個(gè)信號(hào)的下降沿脈沖有效,這是最重要的信號(hào)。在對(duì)加工工藝反復(fù)實(shí)驗(yàn)后,編制PLC程序見(jiàn)圖3。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行實(shí)驗(yàn),該P(yáng)LC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(diào)試過(guò)程中，解決問(wèn)題和故障4.1加工程序沒(méi)有嚴(yán)格限制“中斷區(qū)間”在系統(tǒng)調(diào)試之初,曾經(jīng)出現(xiàn)在非加熱程序段運(yùn)行“中斷程序”的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)檢查,發(fā)現(xiàn)是計(jì)數(shù)信號(hào)錯(cuò)誤引起。但加工程序中沒(méi)有嚴(yán)格限制“中斷區(qū)間”也是引起程序錯(cuò)誤運(yùn)行的原因。為此使用M96～M97指令嚴(yán)格的規(guī)定了“中斷區(qū)間”,只有進(jìn)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(jīng)過(guò)改進(jìn)的程序其安全性得到可靠保證。4.2機(jī)床固有頻率也會(huì)發(fā)生共振一臺(tái)淬火機(jī)床在工廠調(diào)試完畢,交付客戶后重新安裝,客戶報(bào)告開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)分析:伺服電機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)悶響是振動(dòng)的一種,一般是伺服電機(jī)的運(yùn)行頻率區(qū)域與機(jī)床的固有頻率區(qū)重合,形成共振而表現(xiàn)成劇烈的振動(dòng)。由于該機(jī)床經(jīng)過(guò)運(yùn)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(shè)定“共振頻率”,如果機(jī)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(dòng)消除。4.3軸的續(xù)續(xù)移動(dòng)一臺(tái)淬火機(jī)床交付客戶使用后,客戶報(bào)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(dòng)手輪,其對(duì)應(yīng)的伺服軸就亂走,更奇怪的是,在停止搖動(dòng)手輪時(shí),該軸還繼續(xù)移動(dòng)”。對(duì)于“手輪暴走故障”,第一判斷是手輪有問(wèn)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(jīng)檢查,在該淬火機(jī)床附近,有一配有大功率