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关键词 数控龙门式镗铣床 CNC系统
维修
一、数控龙门镗铣床概貌
1.数控龙门式镗铣床的特性
数控龙门式镗铣床的数控系统由FANUC-15MB和FANUC
Power mate-D两套系统组成，只要对加工工件(如隧道管片钢模的底座和船用柴油机箱体等)作一次调整，就可以自动依次在加工工件的五个面上完成机加工。数控系统同时具有仿形及数字化功能，通过跟踪扫描和数字化工件形状模型所得的数值，由CNC系统生成对应的加工程序进行工件模型的机加工。
2.系统电源的配置
机床系统的输入电源要求为：3φAC380±10%、50Hz±1Hz、总装机容量为180kVA，为此专门为机床配置了三相大功率自动补偿式电力稳压器进行输入电源的稳压控制，以满足机床的供电质量要求。
机床系统的输出控制电源有多个控制变压器、隔离控制变压器和开关电源模块组成，提供不同等级的多路交流、直流控制电源(AC200V、AC110V、DC24V、DC5V等)，满足机床控制系统不同的控制要求，提高机床数控系统的整体抗干扰能力。为防止电网的干扰，输出的交流控制电源、机床控制的输入端均接浪涌吸收器；5V以下的信号线均采用屏蔽线，并可靠接地。
3.数控龙门式镗铣床的CNC系统
(1)CNC系统的构成
CNC系统由FANUC
Power mater-D和FANUC15MB两套数控系统组成，整个机床的集散数控系统采用计算机的以太局域总线网络连接，采用FANUC
I/O LINK的串行数据传输方式进行数据交换，机床以FANUC-15MB数控系统为集散数控系统的主监控核心，集散数控系统中的FANUC
Power mate-D数控系统，被机床的控制系统设置成可编程机床控制器(PMC)的控制方式进行轴的控制。
(2)FANUC-15MB数控系统轴的控制
①数控系统的联动轴：3轴X、Y、W(V)
②数控系统的控制扩张轴：7轴
③数控系统的同时可控制的轴：5轴X、Y、W(V)、A(U)、B
④数控系统的最小输入增量：0.1mm、0.01mm、0.001mm
二、FANUC-15MB数控系统的维修
1.进给轴的伺服控制原理及维修
(1)控制原理
FANUC-15MB数控系统是高品质、高性价比的CNC系统，具有丰富的控制功能，进给伺服轴采用数字量控制，能够实现多轴联动。机床的FANUC-15MB数控系统，控制机床的8根进给伺服控制轴，采用数字式全闭环伺服控制方式，其控制核心是进给伺服轴控制系统的位置环、速度环和电流环，机床的全闭环进给轴伺服控制系统的结构框图如图1所示。
图1
全闭环进给轴伺服控制系统结构图
全闭环进给轴伺服控制系统是一个双闭环伺服控制系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用于速度反馈的检测装置装在伺服电机末端，与伺服电机同轴安装的光电式脉冲编码器直接进行数字测速，反馈至CNC系统的控制单元。位置控制环的位置检测传感器为高分辨率的金属反射光栅尺或玻璃盘圆光栅编码器，位置控制环主要对机床的运动坐标轴进行高精度的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格的要求，而且在多轴联动时，要求各运动轴之间有很好的动态配合，位置控制模块除了完成理论位置(插补指令)与反馈的实际位置相比较的处理外，还要完成位置回路的增益调整，同时将位置偏差作为指令速度控制命令(VCMD)发往速度控制单元，由速度控制单元按VCMD数值大小，控制伺服电机的速度。进给轴伺服控制系统采用计算机数字处理，输出也是数字量控制，机床的进给轴伺服控制，能够进行轴控制跟踪波形的屏幕显示，便于现场进行进给轴伺服控制的动态调试。
(2)工作台振动和爬行的维修
数控龙门式镗铣床工作台(X轴)的驱动系统采用双蜗杆、双齿轮和齿条驱动，工作台导轨的润滑采用有压力和温度补偿控制组成的液压轴承，液压轴承的油膜厚度为0.02～0.04mm，工作台(X轴)的进给伺服控制系统，选用海德汉(HEIDENHAIN)LB301增量式直线金属反射光栅尺作为X轴的全闭环伺服控制系统的位置反馈器件，此直线光栅尺的输出信号为A、B两相的正弦波电流信号，相位差为90°，用于产生计数脉冲，A、B两相的相位次序用以辨别X轴的移动方向，并且增量式直线光栅尺全程有1个参考零点脉冲信号。
当机床在加工50t重(机床工作台最大载重量为70t)的6缸柴油机箱体过程中，每当工作台进给启动时(有时在工件的加工切削过程中)，工作台的运行会出现振动和爬行，直接影响了加工件的表面加工精度。
造成工作台启动时的振动和爬行，是与工作台负载的变化、工作台机械传动间隙、导轨润滑的液压轴承油膜厚度、轴伺服控制系统的控制参数等诸多因素有关。工作台重载时，会引起伺服电机轴上的转矩、导轨动静摩擦的变化，因此，要消除这些扰动力矩对启动时的影响和抑制工作台运行时的共振，必须对数控系统的伺服控制参数进行适当的调整，对进给轴伺服控制系统的前馈扰动力矩进行补偿。首先增加数控系统的轴伺服控制动静摩擦的补偿功能(FANUC-15MB数控系统的轴伺服控制动静摩擦补偿功能参数是No1883、1964、1965、1966等)；其次是增加伺服控制传动间隙补偿功能，即轴伺服控制250μs加速反馈功能，数控系统的伺服控制参数是No1894，以尽可能地消除前馈各种扰动力矩。调整数控系统的轴伺服控制参数No1825位置增益数值(此值可影响数控机床的轴控制精度，特别在多轴联动时)，只有使每根联动轴伺服控制参数的位置增益数值保持一致，才能保证工件轮廓的加工精度。对轴伺服控制参数No1855积分增益的数值和No1875速度增益(负载惯量比)的数值进行适当调整，特别是负载惯量比的数值，对于工作台重载启动时，设定较小值可以避免出现工作台启动时的共振现象。经过以上数控系统轴控制参数的调整，工作台启动时振动和爬行状况明显减少。
当对工作台导轨的直线度和平行度等重新进行了机械调整后，使机床工作台全程的平面度达0.04mm/8
000mm、直线度达0.03mm/8 000mm；同时调整导轨润滑的流量控制开关，使机床工作台液压轴承的油膜厚度达0.03mm，这时，机床工作台在70t工件重载启动和运行时，X轴的伺服控制动态实时跟踪曲线较好，没有出现振动和爬行的现象，机床工作台的运行满足了机加工的切削要求。
(3)万能附件头B轴"回零"的调整
数控龙门式镗铣床万能附件头B轴选用海德汉(HEIDENHAIN)ROD250-18000增量式角度圆光栅编码器作为B轴全闭环伺服控制系统的旋转位置反馈器件，此增量式角度编码器的输出信号为A、B两相的正弦波电流信号，相位差为90°，用于产生计数脉冲，A、B两相的相位次序用以辩别B轴的旋转方向，Z相是一转脉冲信号，作为B轴机械参考零点的位置信号，位置角度编码器与万能附件头的旋转头同轴安装。
万能附件头主轴齿轮拆卸更换后，对B轴的旋转位置角度编码器进行了重新安装，当机床开机后，B轴"回零"找不到机械参考零点，并且系统屏幕上出现了B轴脉冲编码器没有连接(SV015
B PULSCODER DISCONNECT)、B轴脉编码器零点返回无效(PS200 B
PULSCODER INVALID ZERO RETURN)等报警信息。经检查，数控机床内的相关伺服控制参数设置无误；在手动方式下，万能附件头B轴能够进行旋转，并显示B轴角度的坐标值。而产生报警的原因，一是由于位置角度编码器的反馈信号控制线中，Z相1根信号控制线虚焊；二是在设定的低速旋转位置角度(30°左右)检测范围内，没有出现Z相一转零点脉冲信号。在重新调整B轴位置角度编码器的Z相一转脉冲信号位置后，使其出现在设定的低速旋转位置角度的检测范围内，并将通过测试样棒和百分表测量出的B轴机械参考零点与机械垂直位置的角度误差数值，输入数控系统的B轴伺服控制参数No1850内，作为栅格偏移量(GRID
SHIFT)。于是机床开机后附件头B轴重新回零，其机械参考零点位置出现在机械垂直位置处，旋转角度也满足±100°的旋转行程范围，万能附件头B轴恢复正常使用。
2.伺服同步轴组的控制原理及维修
(1)控制原理
FANUC-15MB数控系统伺服同步轴组的控制轴一般由2根伺服控制轴(主动轴和从动轴)组成，2根伺服控制轴有同步激活、同步驱动的功能，一直处于激活的状态，有同步运动的模式，所有发送到主动轴的运动指令，在JOG手轮、增量运动、MDI和启动等各种方式下，都将使从动轴同步移动，在系统屏幕上，有伺服同步轴组的轴位置数值和轴伺服动态跟踪数值显示等；在同步驱动控制中，数控系统一直检查2根伺服轴的位置偏差(或坐标位置的偏差)，如偏差超过伺服控制参数设定的允许值时，数控系统会停止同步轴的运行，并发出系统报警信息；机床数控系统的同步轴组能进行机械参考?quot;回零"操作，主动轴和从动轴在开机后能够建立各自的坐标位置，与机床坐标对准，以消除各种原因引起的同步轴位置偏差(如停机后的外力使同步位置失调等)；可以对同步轴组中的主动轴和从动轴分别进行功能补偿(如间隙补偿、螺距补偿和位置交叉补偿等)，并持续有效保证机床伺服控制轴的运动精度。在零件加工时，只有数控系统的主动轴可以被编程；在特定情况下，同步运行可以人工干预(同步撤消)，如坐标位置之间偏差过大，可由手动方式去除这一偏差，但取消轴同步运动时，主动轴和从动轴的位置偏差检测报警应继续存在，以防错误操作损坏机床。
(2)横梁伺服同步控制轴组的维修
数控龙门式镗铣床的横梁伺服控制轴(A、U轴)为一组同步轴组的伺服控制轴，2根伺服控制轴采用全闭环进给轴伺服控制系统的控制方式进行控制，横梁伺服控制轴同步运行时，A轴为主动轴，U轴为从动轴，全闭环进给轴伺服控制系统选用海德汉(HEIDENHAIN)LS106增量式直线金属反射光栅尺作为横梁进给轴伺服控制系统的位置反馈器件。
当机床开机后，机床数控系统对横梁伺服控制轴进行机械参考点的"回零"操作时，系统屏幕上经常出现A轴同步驱动超差(SV028
A SYNCHRONOUS DRIVE ERROR)的报警信息。发现A轴和U轴的伺服电机在横梁运行时，伺服电机实际工作电流数值较大、机械传动噪声较大、机床横梁导轨接触面上的润滑油较少。根据机床的电气控制原理图，调用FANUC-15MB数控系统的可编程机床控制器(PMC-NA)梯形图，对横梁导轨的供油时间和供油间隔进行了重新设定调整，使机床横梁进行"回零"操作时，系统无报警，并且在横梁运行过程中，机械传动噪音明显减轻。
3.利用FANUC-15MB自诊断功能维修机床
FANUC数控系统的机床动作逻辑顺序控制，通过数控系统内置的PLC(又称为可编程机床控制器PMC)来完成，数控龙门式镗铣床配置的FANUC-15MB数控系统，内置PLC为FANUC
PMC-NA控制器，数控系统的可编程机床控制器(PMC-NA)最大梯形图的步数为16
000步，最大DI/DO点数为1 024/1 024点，数控机床ATC装置的控制、AAC站附件头更换和主轴变速齿轮更换等，均通过CNC控制PMC完成。
在日常的机床运行维护中，由于相关的机床动作逻辑顺序控制不能完成，系统屏幕上会出现数控系统的可编程机床控制器(PMC)的各种EX报警信息。根据机床的电气控制原理图，通过现场数控机床的显示屏幕，调用可编程机床控制器(PMC)的梯形图(LADDER)，查找机床相关的输入(X)和输出(Y)的信号状态，调用FANUC计算机数字控制器(CNC)输入(G)和输出(F)的信号状态，通过仔细的分析，找到数控机床的机械、电气、液压、气动等器件的故障点，熟练地使用数控系统强大的自诊断监控功能进行现场故障排除，使数控机床及时地恢复生产，减少机床加工时的停机时间。
三、结语
经过对技术资料的消化吸收，较详细地了解了数控龙门式镗铣床系统的数控监控技术，在熟悉数控龙门式镗铣床的系统控制功能和FANUC数控系统的相关维修说明书后，使我们能准确快速地找到数控龙门式镗铣床出现的故障，并进行有序的分析及排除，为日常的机床维护工作提供了有效的技术储备和保证。
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