大森9i系统在车床改造的应用
作者：admin 来源：未知 日期：2020-09-03 08:53人气：
摘要：大森9i数控系统是一款两轴的半闭环数控系统。它的CNC采用32位处理器。伺服驱动采用的是高可靠性，高速度，高精度的DSAS-15UMC驱动器。主轴控制可以通过系统输出的模拟量电压控制变频器来带动主轴电机实现主轴的无极调速，也可以利用系统的内置PLC控制多速电机及普通电机及电磁离合器来实现主轴的变档位调速。电动刀架及冷却控制等辅助功能均由系统内置PLC控制I/O板等来完成。
关键词：CNC；闭环控制；变频；U/F控制；伺服
近几年，我国生产制造业迅速发展，数控机床的需求不断增加[1]。对于一些中小企业，许多车床或者经济型数控车床的机械部分各方面机械性能良好，但是不能胜任高精度的产品加工要求。采用新型的数控系统对其进行改造，可以为企业降低购买成本，使老机床焕发活力。机床采用CNC控制后，只需更换加工程序就能进行不同零件的加工，为多品种，小批量及新产品试制提供了极大的便利[2]。
1系统概述
大森9i是适用于车床类的两轴控制CNC系统。采用国际标准G代码，分辨率0.001mm，它能实现比普通机床更精确的定位和加工。基本I/O单元32点输入/32点输出回路，PLC梯形图显示，可在线编辑。还可以借助CF存储卡进行系统资料和用户程序的备份和导入。这是一款高集成高性价比的半闭环控系统，相比没有反馈的开环控制系统，它的精度更高[3]。该系统由主控制单元，显示单元，操作单元，伺服单元，基本I/O单元等部分组成。系统供电采用独立的DC24V电源。
2伺服进给
伺服进给采用大森的全数字交流伺服驱动系统DSAS-10UMC.该驱动器采用DSP芯片，大大加快了数据的采集与处理速度.使用最新的功率器件IPM，使驱动器体积大为减小.外观简洁，结构紧凑。它具有宽速比，恒转矩，调速比为1比5000，高速度，高精度，最高速度3000r/min，回转定位精度为1/10000转。两个进给轴选用大森1.5KW6NM的交流伺服电机，Z轴直连，X轴采用1：1齿形带传动。在伺服单元供电的设计上采用主回路和控制电源回路单独送电。为了减少电网对伺服的干扰，主回路采用三相隔离变压器200v供电，控制电源采用单相200v供电[4]。先给控制电源送电，系统在检测没有伺服报警和急停的情况后，发出指令控制输出接口，给伺服单元主回路供电。以此保护主回路[5]。在有伺服故障时及时切断主电路供电，控制电源保持供电方便故障的诊断。系统的控制过程：主控制板通过基本I/O板的CN36和CN37插口将移动指令信号送给驱动单元，同时编码器反馈信号通过这两个接口反馈给主控制板完成闭环控制。
3主轴功能的实现
主轴控制器采用了安川的变频器，改变频率就可以平滑的调节电机转速[6]。数字量输出是系统通过基本I/O板的CN41控制继电器向变频器发出控制指令实现主轴正转反转，变频器复位和故障停止。通过系统发出模拟量信号通过插头CN40连接到变频器控制主轴速度。变频器通过I/O板的CN42向系统发出故障输入信号及速度到达信号。CN38用于连接主轴编码器作为速度反馈，完成主轴控制配置。下面是具体的实施。
3.1CNC到变频器的信号
3.1.1主轴正反转信号手动操作时机床面板上的主轴正转和反转按钮发出主轴正转或反转信号，通过系统PLC程序控制正反转中间继电器的通断接通变频器端子1-11或者2-11，向变频器发出信号，实现主轴的正反转控制。自动加工时系统PMC对辅助功能代码M03，M04，M05译码后控制主轴正反转继电器，从而达到主轴的正反转及停止控制，此时主轴的速度是由程序中的S指令值决定的。3.1.2主轴电机模拟量信号输入系统把程序中的S指令值转换成相应的模拟量电压0-10V，通过系统I/O板的CN40插头传送到变频器13-17端子，实现主轴电动机速度控制。3.1.3系统故障输入当机床数控系统出现故障时，通过系统PLC发出信号控制故障输入继电器得电动作，接通变频器端子3-11使变频器停止输出，实现主轴自动停止控制。3.1.4系统复位信号当系统复位时，通过系统的PLC梯形图的编制控制复位继电器得电接通变频器端子4-11，进行变频器的复位控制。如果变频器受到干扰出现报警时，也可以通过系统操作面板上的复位键RESET进行复位，而不用重新上电进行复位。
3.2变频器到CNC的信号
3.2.1变频器故障输入信号在变频器出现故障主轴停转时，变频器19-20端子输出一个信号，通过PLC向系统发出报警信号，使机床轴进给停止，防止撞刀的发生。3.2.2主轴速度到达信号数控机床自动加工时，主轴速度到达信号实现切削进给开始条件的控制。当系统的功能参数S043bit0（主轴速度到达信号选择）设定为1时，系统通过PLC检测来自变频器26-27端子的速度到达信号。系统只有检测到该信号，切削进给才能开始，否则系统进给指令一直处于待机状态。3.2.3系统及变频器主要参数系统参数：主轴功能选择S0270为模拟电压输出，S0273，S0274选择主轴电机输出上下限常数，S0280选择主轴每转反馈脉冲数，S0281主轴速度到达信号。变频器参数：通过设置参数A1-02选择控制方式为U/F控制。B1-01=1变频器频率控制由输入端子13，17的模拟量控制，B1-02=1运行指令由端子1-11和2-11控制。
4PLC程序编辑及报警文本编制
大森9i系统提供了非常人性化的操作界面和PLC的梯形图显示和编辑功能，使我们可以方便地进行机床诊断和调整。利用PLC的编辑功能完成了面板操作，自动选刀，主轴调速，手动进给及冷却和润滑控制。PLC通过输入接口采集现场的开关信号。通过对机床的门开关，导轨润滑，床头箱润滑，变频器故障，伺服故障，超程进行检测，建立和完善了机床异常情况的报警文本，并且在监视器显示，为操作及维修提供检修依据。使机床正常运转，并且保证人身安全[7]。难点解决，由于这套数控系统提供的操作面板是专供CAK6150数控车床，主轴是4档变速，面板上只有主轴正反转及升降速按键，没有主轴调速电位器和主轴倍率开关。对此可以通过重新设计PLC程序，利用升降速开关作为输入，利用PLC内部继电器的输出完成了替代主轴倍率格雷码开关的功能，控制模拟量的增减，达到了控制主轴速度的目的。也面去了安装主轴调速电位器的麻烦。
5系统调试过程
大森9i系提供了利用CF和操作面板进行系统参数及PLC程序的输入两种方式。当整个系统运行正常后，对相应坐标轴的速度、增益、加速度及各项监控参数进行优化，使系统进入最佳工作状态。在机床正常运行后，对机床机械部分，如反向间隙、传动系统精度等进行调整，同时通过对机床机械精度的测量，对数控机床的位控制系统进行精度补偿。由于编码器与伺服电机同轴所以电机到丝杠之间，丝杠螺母之间的间隙以及丝杠长期使用中的磨损，丝杠给位置的螺距与标称值都会有一定的误差。对此大森9i系统提供了电子齿轮比，反向间隙补偿和区间补偿。通过调整使机床精度达到最佳状态。主轴的调整主要是通过设定4档齿轮的最高转速参数S820-S823及变频器的参数调整使主轴达到输入转速与实际转速的统一。
6改造调试过程中出现的问题及解决
6.1系统出现基本I/O连接报警
故障现象：在机床运行期间，不定时出现“基本I/O连接报警”。解决方法：通过对各个输入节点的监视，发现一个刀位信号电压有时低于10V，不稳定的信号使系统在检测I/O信号时出现错误.在处理了刀架信号盘后，该故障消失。
6.2伺服驱动器“9”号报警
驱动器“9”号报警为编码器故障，原因是钳工装配齿轮过程中，敲击齿轮时震动了光栅，导致编码器损坏。
6.3Z轴伺服电机振荡
故障原因：驱动器出厂设置的参数与机床的负载惯量不匹配。解决方法：通过调整驱动器的速度比例增益和速度积分时间常数的设定值达到最佳。
6.4主轴低速时转矩不足问题的解决
由于变频器低速运行时，根据U/F曲线，电动机在低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较明显，导致励磁不足而使电动机不能够提供足够的旋转力。针对这样的问题，通过转矩补偿参数进行了调整，满足了使用要求[8]。
6.5抗干扰问题解决
正确连接机床，系统的地线。必须采用一点接地法。合理布线，采用并联RC吸收器及直流线圈两端加入续流二极管来消除电磁干扰[9]。在PLC电路中，感性负载两端并联浪涌可以抑制感性负载造成的干扰或破坏[10]。
7结论
大森9i数控系统不足两万元的改造成本，把普通车床改造成可以加工更高精度产品的数控车床，而且故障率很低。实践证明大森9i数控系统是非常适合普通车床或者老旧的数控车床进行系统升级改造的一款数控系统。
作者：韩辅中 单位：富奥汽车零部件股份有限公司泵业分公司
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