国产蓝天数控系统在机床升级改造中的应用

吴天驰,刘本刚,2,金光云

(1.航空工业沈飞数控加工厂，辽宁 沈阳 110034；2.中国科学院大学,北京 100049)

0 引言

某型进口三坐标立式铣床，原装系统为GE FANUC15MBE数控系统。由于机床电气系统老化问题严重，机床完好率和加工精度不断下降，无法满足高精度、高效率和信息化管控的生产要求。同时，原装系统已停产，备件采购困难。因此，在分析机床实际工况的基础上，从提高机床加工精度和稳定性、降低维修成本等方面考虑，采用国产高精蓝天GJ330数控系统替换原装进口系统。本文在介绍高精蓝天GJ330数控系统特点和功能的基础上，详细阐述了机床改造过程中数控系统的主要调试步骤、参数整定注意事项和基于系统嵌入式PLC设计并实现安全自动松、夹刀功能的逻辑方法，最后结合机床进给传动结构机械特性，解决了螺距补偿功能，改善了机床零件的加工精度和一致性，提高了机床辅助功能的自动化水平和加工效率。

1 高精蓝天数控系统

GJ330是一款通用性强、配置灵活的国产中高档数控系统，具有以下多种特性：标准配置6轴4联动，可扩展最多支持10轴，实现6轴联动；支持总线式伺服驱动单元，配套12英寸彩色液晶显示屏；采用100 Mb/s传输速率的SSB3高速同步串行通讯总线，PLC基本指令处理时间为1 μs/step，具有双向螺距误差补偿、反向间隙补偿、刀具长度和半径补偿功能[1]。

2 数控系统国产化改造方案

2.1 系统架构与总线连接

根据现场加工需求，结合机床当前机械特性和电气性能，综合考虑经济性，数控系统国产化改造方案具体采用GJ330数控系统和伺服驱动系统，但保留机床原主轴和各进给轴伺服电机。图1为GJ330数控系统的架构和总线连接示意图。数控系统与驱动系统之间基于SSB3高速同步串行通讯总线通信，基于数控系统自带的PLC系统，实现机床全数字运动控制和外围辅助功能自动控制，提高了机床的自动化控制水平。

图1 GJ330数控系统架构和总线连接示意图

2.2 参数设定

数控系统参数设定是系统调试过程中的重要过程，包括驱动器参数和机床参数。其中驱动器参数直接决定机床的运动特性和加工精度，参数整定值由机械特性和加工工况决定。机床参数影响机床的基础功能、加工状态显示、操作习惯、测量系统等，其参数设定值由机床硬件配置和加工需求决定。具体参数调节过程如下。

2.2.1 驱动器参数设定

根据所选电机的类型和驱动器型号，以及对机床的平滑运行和高速定位等要求设定相关参数。其中，进给轴驱动(型号为GJS-075BDA)参数设定的主要目的是匹配电机和负载，在满足机床平稳运行的情况下，尽量提高机床的动态响应。如PN00控制方式的选择，通过位置脉冲指令对机床进行位置控制。以X轴为例，PN05和PN06分别定义为速度环比例增益参数和速度环积分增益参数，适当增大这两个参数，能够进行响应特性更高的速度控制，但是受机械特性的制约，参数过大会产生抖动或电机噪声；PN15为位置环比例增益参数，这个值越大，位置控制的响应特性越高、偏差值越小，但是受到机械特性的制约，应在满足运行稳定的前提下增大这个数值；PN22为位置误差限定范围，该参数用来设定检查位置超差报警(ER12)的脉冲计数范围，该值设定过小，在高速运转时容易出现位置超差报警(ER12)，该值设置过大就失去了位置误差检测的意义。

驱动参数直接决定各运动轴的动态特性，而且与机械特性和负载相关，因此该参数的设定值通常是通过分析实际运动响应并反复优化而确定的满足加工需求的合理值[2]。基于钛合金加工性能要求，该机床经过多轮参数优化后，各轴的驱动参数设置如表1所示。

表1 部分驱动参数整定值

2.2.2 机床参数设定

GJ330数控系统允许用户配置基础参数、常规参数、机床参数、主轴参数和用户参数等，正确配置这些参数是机床正常加工的前提，应根据系统厂提供的技术说明书，结合机床实际状态进行设置。部分重要参数设置过程如下：

(1)机床包含X、Y、Z三个插补轴，参数0100(CNC轴数量)设置为3，参数0101(CNC控制轴名称)设置为XYZ。

(2)机床各轴的回零撞块位于各轴的正向末端，采用增量式光栅尺，参数0227(回零方向)设为1(正向)，参数0109(手动回零模式)设为1(每次开机要重新回零)，参数0132(手动回零方式)设为0(开关+MARK)，参数0216(位置反馈编码器类型)设为1(增量式位置传感器)。

(3)参数0202是定义轴类型的参数，共8位，各位置1有效，机床进给轴的类型是“具有螺距补偿，使用直线编程的线性坐标轴”，则各位定义及设置见表2。

表2 参数0202各位定义及设置

3 PLC功能设计及实现

由于原数控系统PLC的输入输出模块接口数量有限而且扩展困难，大部分机床外围辅助功能的控制通常由外部单独的逻辑模块实现，导致PLC系统无法获取外围设备的底层数据和故障信息，当故障发生时无法支持机床进行快速诊断和故障定位。为提高机床的自动化水平和可靠性，基于国产数控系统自带的PLC功能实现外围辅助功能的自动控制具有必要性。蓝天GJ330数控系统的PLC系统具有丰富的输入输出接口、完善的逻辑指令以及信息显示、在线监控等功能，为原机床外部辅助功能逻辑完善和人机交互性能的提高提供了有利平台。

以机床的抓刀/松刀控制逻辑的设计与完善过程为例，本文提出了基于安全的松刀逻辑控制策略，当PLC系统接收到松刀指令后，确认机床已上电并且无急停等报警信号，当前工作模式是手动模式，并监视主轴当前没有运动指令且停止信号已到达，此时打开松刀阀并启动液压站工作，直到松刀到位信号到达，则关闭松刀阀和液压站。上述松刀执行过程中，若PLC系统监测到任何异常信号或机床复位信号都将终止松刀动作，同时发出相关提示信息或故障信息。基于高精GJ330系统设计的抓刀/松刀的部分逻辑如图2所示。其中的“机床复位信号”和“机床下电信号”，避免松刀电磁阀因为长时间通电而损坏。该逻辑设计策略不但提高了机床松刀过程的安全可靠性和自动化水平，还针对典型频繁故障增加了人机交互式接口信息，便于机床维护[3]。

图2 自动抓刀/松刀逻辑设计图

4 机床的螺距误差补偿

高精GJ330系统的螺距补偿功能是根据机床各轴的行程，按照递增的顺序设定指定定位点对各轴进行双向螺距补偿，且依据机床的实际情况选取补偿间隔，可以选用不等间距。本机床已经交付使用达22年之久，由于进给轴在中间位置的磨损较边缘位置的磨损更加严重，致使光栅尺在中间位置的精度较其他位置的精度低，因此，选择补偿间隔时在机床各轴的边缘位置取点间隔较大，在磨损较大的中间行程位置所取的补偿间隔较小。以X轴为例，机床全程共2 800 mm，在-2 800～-2 200以及-600～0行程的补偿间隔为200 mm，在-2 200～-600行程的补偿间隔为50 mm，这样既保证了补偿精度又可以有效提高补偿工作效率。

对机床进行螺距补偿后要对机床的实际定位精度进行检验，为保证检测精度的严谨，在选取测量间隔时应尽量区别于螺距补偿间隔，即避免补偿点坐标和检测点坐标重复点过多，表3展示了机床各轴在改造前后的关键精度数据，可以看到机床各轴的精度显著提高。

表3 螺距补偿表

5 结论

经NAS标准件试切合格后，国产数控系统替换后的机床已投入飞机结构件正式加工中。实践证明：改造后的机床操作方便，性能稳定，机床加工精度满足航空结构件的加工需求。同时，国产系统具有更丰富的数据接口，不但提高了人机交互性和自动化水平，而且解决了机床与数字化车间的联网功能，实现了机床的远程监控，此次改造升级的成功，为今后老旧系统机床的升级改造提供了另一种经济、稳定的选择，具有一定的借鉴意义。