曲轴淬火机床运动控制的分析与设计

曲轴淬火机床运动控制的分析与设计

1轴机床要求曲线过载机是一种专门用于散曲过载的高科技设备。它的运动控制复杂，精度要求高。机床运动轴6个,其中第1轴为大拖板移动轴,第2轴为工件旋转轴,第3轴为感应器的前后运动轴,第4轴为感应器的上下运动轴,第5轴为上料架轴,第6轴为小拖板移动轴。该机床的主要动作要求是:a.机床必须具备自动、点动(JOG)、手轮、手动定位、原点返回等工作模式。必须具备手动单步加工和全自动加工,一键启停的功能;b.旋转轴在加热淬火工艺阶段必须能够按工艺要求的速度旋转。该速度可以在控制系统屏幕上任意设定,旋转时间由各淬火工艺参数设定。在当前部位淬火完毕后,旋转轴必须能够精确定位,以便能够对下一关键部位进行淬火;c.大托板运动轴,小托板运动轴必须具备一键定位功能;d.感应器运动轴必须与旋转轴做3轴联动运行,保证感应器与曲轴工件的适当间隙,以保证淬硬层深度;e.上料轴要求能够在自动加工过程中实现手动自动同时控制功能,以加快生产节拍。2网络连接系统的硬件配置和功能2.1考虑功能性的原则基于对曲轴淬火机床运动控制要求的分析,综合功能性、可靠性、经济性多方面的考虑。决定以三菱M70CNC系统为核心,构建曲轴淬火机床的控制系统如图1,其核心硬件配置见表1。2.2输入/输出单元a.数控系统M70A可控制数控轴6、主轴4,具备双系统功能;b.输入/输出单元DX350,DX110用于接收和处理机床外部的各种信号,如加热、喷水、各限位开关信号;c.伺服系统(伺服驱动器+伺服电机)用于各运动轴。3关键技术的开发3.1轴联动运行淬火工艺要求感应器运动轴必须与旋转轴做3轴联动运行,保证感应器与曲轴工件的适当间隙,以保证淬硬层深度。工件旋转轴的运动与感应器的上下前后运动的联动程序该如何编制呢?3.1.1旋转轴步长和速度关系首先考虑的方案是:以旋转轴的角度为变量,编制程序如下:采用以上程序运行时,观察到a.旋转轴的速度变得不均匀,在90°和180°,270°位置处速度变慢;b.旋转轴的运行速度用F指令调节效果不大,此时的F指令规定的是两轴速度的矢量值。对旋转轴的运行速度有明显影响的是变量“#1”,变量“#1”代表的是旋转轴的步进增量。由于加热工艺要求旋转轴必须均匀旋转,所以程序100被放弃了。3.1.2旋转轴控制器经过仔细观察机床的运动,旋转轴的一次圆周运动可以被分解为四步,即运动到90°、180°、270°、360°位置,而相应于这些位置,采用程序200运行,旋转轴运行平稳均匀,三轴能联动运行,能有效的用F指令调节速度,现已作为标准程序使用。3.2中断宏程序插装淬火机床要求其夹持工件的运动轴在加热时做恒速旋转,当加热完成后又能够定位于某一位置,便于下一工序的执行。这一要求的实质是要求NC伺服轴在某一区段做旋转运行,某一区段做定位运行。经过分析和实验,决定采用三菱M70数控系统的中断指令及宏程序插入功能实现这一要求。在三菱M70数控系统的PLC接口中,有专用中断接口YC25。当在PLC程序中使YC25=ON,中断功能即生效。中断功能生效时,正在运行的加工程序会立即停止转而执行预先编制好的“中断宏程序”,当“中断宏程序”执行完毕后,又继续执行主加工程序。如图2所示。淬火机床主加工程序如下:在PLC程序中,当加热处理完毕时,由加热处理完毕信号驱动PLC程序中的中断接口YC25,当YC25被驱动时,正在执行的当YC25被驱动时,是立即结束执行当前的程序段转入中断程序,还是执行完当前程序段以后再转入中断程序,可以通过参数选择。设定#1113=0,则立即结束执行当前的程序段转入中断程序。设定#1113=1,则执行完当前程序段以后再转入中断程序。与中断相关的参数还有#1112,这个参数的含义是在YC25=ON的条件下,中断程序是执行一次还是反复执行。以程序500为例:当#1112=0,遇到YC25从OFF→ON的上升沿,立即执行M96指定的中断程序(程序500),而且只执行一次。当#1112=1,且YC25=ON并一直保持YC25=ON,则M96指定的中断程序(程序500)被反复执行,直到YC25=OFF,在执行完当前的中断程序后,回到由中断程序指定的主程序单段上。M96和M97是三菱NC规定的特殊M指令。M96是“中断宏程序插入”有效。M97是“中断宏程序插入”无效。其意义为在M96和M97指定的加工程序区间段内,“中断宏程序插入”有效。以程序500为例:在N110～N145程序段内均有效。3.3操作轴向特定工况由于热处理工艺的多样性要求,淬火机床在手动模式下要求大小拖板轴能够实现“一键定位”,即用一键操作使控制轴到达特定的工位以完成加工要求;为了实现这一特殊要求,经过分析和实验,决定利用“手动随机进给”方式来实现这一要求。使用“手动随机进给”要在PLC程序内做大量的设置程序,PLC程序的编制相对复杂。在M70数控系统中,与“手动随机进给”有关的接口如下:3.3.1“动手随机进给”模式当Y0C03=ON,系统进入“手动随机进给”模式。“手动随机进给”模式可以在“自动-手动同时有效”状态中使用;“手动随机进给”由于具有“定位”的功能,所以与定位有关的参数都必须进行设定。3.3.2动手定位的轴就象大型设备有三个手轮一样。在实际操作中首先必须选定需要进行手动定位的轴,这需要在PLC程序中处理。各操作站的运动轴选择信号如下:YCA0～YCA7第1站相关轴选择信号YCA8～YCAF第2站相关轴选择信号YCB0～YCB7第3站相关轴选择信号3.3.3移动距离下列三个文件寄存器用于设置各轴的运行位置:R2544:第1站移动距离;R2548:第2站移动距离;R2552:第3站移动距离;在PLC程序程序中必须向以上的R寄存器里写进需要运行的距离,如图3所示。3.3.4坐标系的确定既然是定位,就必然需要确定坐标系。Y0CBC就是用于确定所采用的坐标系。当Y0CBC=OFF,采用机械坐标系;定位位置以机械坐标系为准。当Y0CBC=ON,采用工件坐标系;定位位置以工件坐标系为准。3.3.5增量值的选择当Y0CBD=OFF,选择绝对值。这时Y0CBC所确定的坐标系有效;当Y0CBD=ON,选择增量值;这时,移动量与坐标系无关,而只与当前位置有关。当以上所有的限制条件都设定完毕后,还有两个最重要的信号:“启动”和“停止”。3.3.6y0cbe-wol当Y0CBE=OFF,轴移动停止。而且当Y0CBE从OFF→ON时,轴又重新开始移动。这与“自动暂停”的功能不同,需要特别注意。3.3.7plc程序编制Y0CBF=ON,定位运动开始。注意,这个信号的下降沿脉冲有效,这是最重要的信号。在对加工工艺反复实验后,编制PLC程序见图3。经过长时间运行实验,该PLC程序完全满足了大小拖板轴的“一键定位”要求。4在系统调试过程中，解决问题和故障4.1加工程序没有严格限制“中断区间”在系统调试之初,曾经出现在非加热程序段运行“中断程序”的问题,经过检查,发现是计数信号错误引起。但加工程序中没有严格限制“中断区间”也是引起程序错误运行的原因。为此使用M96～M97指令严格的规定了“中断区间”,只有进入该区间后,接收到“中断指令”才可执行“中断程序”。在“中断区间”之外,即使接收到“中断指令”也不能执行“中断程序”。经过改进的程序其安全性得到可靠保证。4.2机床固有频率也会发生共振一台淬火机床在工厂调试完毕,交付客户后重新安装,客户报告开机运行时分析:伺服电机运行出现闷响是振动的一种,一般是伺服电机的运行频率区域与机床的固有频率区重合,形成共振而表现成剧烈的振动。由于该机床经过运输后重装,其固有频率可能发生改变,形成了共振。处理:建议客户修改参数#2238。该参数的作用是设定“共振频率”,如果机床的安装发生比以前更紧固,则降低该参数值,反之升高。客户照此修改参数后,振动消除。4.3轴的续续移动一台淬火机床交付客户使用后,客户报告出现“手轮暴走故障”。故障现象:“在手轮模式下,一旦摇动手轮,其对应的伺服轴就乱走,更奇怪的是,在停止摇动手轮时,该轴还继续移动”。对于“手轮暴走故障”,第一判断是手轮有问题,但更换手轮后仍然出现同样现象.于是怀疑附近有大的干扰源存在,经检查,在该淬火机床附近,有一配有大功率