l997年應(yīng)上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司之邀，筆者對(duì)該公司大型汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)座加工中心的改造進(jìn)行方案論證，并對(duì)C軸定位振蕩問題進(jìn)行軟件維修。由此對(duì)大型二手設(shè)備的維修及改造問題進(jìn)行了有益的探索，獲得不少經(jīng)驗(yàn)。
該機(jī)座加工中心是1992年從美國西屋公司引進(jìn)的二手設(shè)備，由美國弗雷爾公司制造。它由端鏜床、惻鏜床和轉(zhuǎn)臺(tái)三大部分組成，懸臂伸展7、5m，直徑1．5m，轉(zhuǎn)臺(tái)長12m，寬4．2m，承載140t，可用于加工30o、6o0和9o0MW 汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)座，是我國汽輪發(fā)電機(jī)制造業(yè)中的特大型專用設(shè)備該加工中心的控制系統(tǒng)為兩臺(tái)A—B7320數(shù)控系統(tǒng)，分別控制端鏜床和側(cè)鏜床，控制軟件由A- B公司開發(fā)，包含PAL(即PLC軟件)。因?yàn)榇笮蛿?shù)控設(shè)備的特殊性，其PAL軟件和NC軟件混合在一起開發(fā)，因此PAL接口軟件是不可讀寫的，只能運(yùn)行，這給數(shù)控設(shè)備改造帶來很大困難。為徹底弄清PAL接口軟件，我們進(jìn)行了破譯和分析，弄清了大型設(shè)備PAL接口軟件設(shè)計(jì)中的一些特殊問題，同時(shí)掌握了大量機(jī)床參數(shù)。
一、大型數(shù)控設(shè)備的特殊問題
1．大、中型數(shù)控機(jī)床的主軸一般采用帶齒輪變速的傳動(dòng)方式，這是為了保證低速時(shí)可傳遞較大的扭矩，同時(shí)能擴(kuò)大恒功率區(qū)的變速范圍。既然有齒輪變速，就存在一個(gè)“掛檔” 問題 大型機(jī)床掛檔常采用液壓撥叉，為預(yù)防“頂齒”現(xiàn)象常采用主電機(jī)的瞬間點(diǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，因而帶來下列問題：① 大慣量帶來的時(shí)延需用時(shí)間繼電器檢測(cè)，超過一定時(shí)間，顯示掛擋失??；②為可靠起見，掛檔結(jié)束時(shí)應(yīng)由掛檔限位開關(guān)通知計(jì)算機(jī)掛檔成功與否；③ 掛檔時(shí)的瞬問點(diǎn)動(dòng)需向接口輸出短時(shí)運(yùn)動(dòng)命令，這在PLC中很難順利實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐话鉖AL系統(tǒng)無法處理電機(jī)的運(yùn)動(dòng)問題：④ 為彌補(bǔ)自動(dòng)掛擋的不足，在面板上保留了手動(dòng)掛擋的按鈕開關(guān) 這些問題在該加工中心PAL軟件中均有較好的處理。
2．夾緊、放松問題在大型數(shù)控機(jī)床中比較突出．為了在大慣量條件下準(zhǔn)確定位，坐標(biāo)軸在到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)必須立即夾緊，運(yùn)動(dòng)時(shí)再放松。有的坐標(biāo)軸還分成低夾和高夾，以免夾緊時(shí)抖動(dòng)。這些功能要求增加了接口軟件編寫的難度。
3．出現(xiàn)了通常NC程序和PLC程序的耦合問題。例如上述提到的C軸高夾和低夾問題，判斷進(jìn)入高夾帶、低夾帶所用的公式為：終點(diǎn)位置一現(xiàn)行位置+跟隨誤差。這些系統(tǒng)參數(shù)在PLC數(shù)據(jù)區(qū)中是沒有的，原控制程序中NC和PLC (PAL)是混合開發(fā)的．不存在此類問題，對(duì)一般改造用戶來說，提取這些系統(tǒng)參數(shù)則存在一些圍難。
4．單方向趨近對(duì)大型機(jī)床準(zhǔn)確定位格外重要，目前許多數(shù)控系統(tǒng)均有此種功能，在改造中極為方便。
5．某些參數(shù)的選擇范圍。我們發(fā)現(xiàn)大型數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)軟件增益KC非常低(系統(tǒng)位置環(huán)增益KV=KC·KD· KM·KA，見筆者專著《機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控》)，一般在0．002~0．005之間。由于KC值定得低，使得系統(tǒng)位置環(huán)增益KV值大大低于1。這樣的低增益系統(tǒng)易于穩(wěn)定，調(diào)整方便，適臺(tái)于大型機(jī)床，缺點(diǎn)是跟隨誤差稍大。
二、C軸振蕩的軟件維修
該加工中心端鏜床C軸是一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，用于加工機(jī)座端面100多個(gè)孔，定位夾緊以后，在Z軸方向進(jìn)刀鉆孔。從1997年底開始，C軸定位發(fā)生振蕩，無法找到準(zhǔn)確定位位置，左右搖擺，嚴(yán)重影響加工進(jìn)度。我們分析系由于機(jī)械部分磨損，致使到位帶已不能滿足要求，需擴(kuò)大。這對(duì)于新型數(shù)控系統(tǒng)而言是非常簡單的，只要修改一下到位帶參數(shù)即可，但對(duì)于該臺(tái)20世紀(jì)70年代末期的二手設(shè)備卻不是一件容易的事。A—B7320數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床參數(shù)不對(duì)用戶開放，一經(jīng)調(diào)試完畢即存入機(jī)床參數(shù)區(qū)(以絕對(duì)地址方式出現(xiàn))。機(jī)床參數(shù)中的NC參數(shù)約有l(wèi)0個(gè)，其中包括到位帶和夾緊帶，只需將其適當(dāng)擴(kuò)大，C軸振蕩問題即可解決。當(dāng)然此種軟件維修是臨時(shí)性的，徹底的解決辦法是對(duì)機(jī)械磨損進(jìn)行維修。
三、數(shù)控系統(tǒng)的選型
本次改造是用兩臺(tái)A-B9／260CNC取代原有的A-B7320CNC系統(tǒng)。同時(shí)更換的還有九個(gè)坐標(biāo)的直流伺服，直流電機(jī)暫不換。A-B7300系列和 9系列CNC數(shù)控系統(tǒng)分別誕生于20世紀(jì)70年代和90年代，跨度為20年。其間微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、軟件技術(shù)等均有飛速發(fā)展，因此9系列比7300系列從整體水平上有很大提高，但9系列的系統(tǒng)軟件完全是從7300系列軟件脫胎而來。這一點(diǎn)對(duì)于成功的數(shù)控改造意義很大，現(xiàn)分析見下。
1．7300系列和9系列軟件均采用前后臺(tái)型控制結(jié)構(gòu)。7300系列的前臺(tái)程序?yàn)橐粋€(gè)10ms的中斷服務(wù)程序，數(shù)控機(jī)床的重要功能如插補(bǔ)、位控、 PAL(PLC)、監(jiān)控等均在其中。9系列的前臺(tái)程序仍為一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，但采樣(處理)周期變成6～30ms，每2ms一個(gè)臺(tái)階，這給用戶提供了極大的靈活性。另外一點(diǎn)不同是9系列可將PAL程序分成前臺(tái)和后臺(tái)兩塊，以適應(yīng)較大規(guī)模I／O點(diǎn)控制的場(chǎng)合，減輕前臺(tái)負(fù)擔(dān)前后臺(tái)控制是經(jīng)典的實(shí)時(shí)控制方法。多級(jí)中斷的控制法可視作前后臺(tái)控制的變異，即最低級(jí)中斷可視為后臺(tái)程序，而其余中斷可視為前臺(tái)程序。
2．9系列PAL (PLC)手冊(cè)中提供了四個(gè)730o紙帶方式變量，分別是請(qǐng)求變量、方式指示變量、前零后省略變量和托盤請(qǐng)求變量，系為73o0零件加工紙帶在9系列環(huán)境中使用而設(shè)立。這種紙帶兼容性能很大程度上保護(hù)了用戶的利益，使一些經(jīng)過考驗(yàn)的零件加工程序得以原封不動(dòng)地在9系列中使用。從另一個(gè)角度看，9系列和 7300系列的系統(tǒng)軟件有很大的相似性和繼承性。
3．7300CNC和9系列CNC提供的PAL變量有極大的相似性。對(duì)數(shù)控機(jī)床改造而言，PAL變量是編寫PAL程序的先決條件。系統(tǒng)提供的PAL變量反映了系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)和功能。PAL變量越豐富，其接13軟件的開發(fā)愈靈活，但CNC系統(tǒng)程序的開發(fā)難度愈大。7300系列提供的隊(duì)L變量約120個(gè)左右．9系列則有281個(gè)。從總體上說9系列的PAL功能比7300系列強(qiáng)許多。7300系統(tǒng)中用的PAL變量均能在9系列的PAL變量中找到，這給數(shù)控化改造提供了許多便利。
該機(jī)座加工中心是1992年從美國西屋公司引進(jìn)的二手設(shè)備，由美國弗雷爾公司制造。它由端鏜床、惻鏜床和轉(zhuǎn)臺(tái)三大部分組成，懸臂伸展7、5m，直徑1．5m，轉(zhuǎn)臺(tái)長12m，寬4．2m，承載140t，可用于加工30o、6o0和9o0MW 汽輪發(fā)電機(jī)機(jī)座，是我國汽輪發(fā)電機(jī)制造業(yè)中的特大型專用設(shè)備該加工中心的控制系統(tǒng)為兩臺(tái)A—B7320數(shù)控系統(tǒng)，分別控制端鏜床和側(cè)鏜床，控制軟件由A- B公司開發(fā)，包含PAL(即PLC軟件)。因?yàn)榇笮蛿?shù)控設(shè)備的特殊性，其PAL軟件和NC軟件混合在一起開發(fā)，因此PAL接口軟件是不可讀寫的，只能運(yùn)行，這給數(shù)控設(shè)備改造帶來很大困難。為徹底弄清PAL接口軟件，我們進(jìn)行了破譯和分析，弄清了大型設(shè)備PAL接口軟件設(shè)計(jì)中的一些特殊問題，同時(shí)掌握了大量機(jī)床參數(shù)。
一、大型數(shù)控設(shè)備的特殊問題
1．大、中型數(shù)控機(jī)床的主軸一般采用帶齒輪變速的傳動(dòng)方式，這是為了保證低速時(shí)可傳遞較大的扭矩，同時(shí)能擴(kuò)大恒功率區(qū)的變速范圍。既然有齒輪變速，就存在一個(gè)“掛檔” 問題 大型機(jī)床掛檔常采用液壓撥叉，為預(yù)防“頂齒”現(xiàn)象常采用主電機(jī)的瞬間點(diǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，因而帶來下列問題：① 大慣量帶來的時(shí)延需用時(shí)間繼電器檢測(cè)，超過一定時(shí)間，顯示掛擋失??；②為可靠起見，掛檔結(jié)束時(shí)應(yīng)由掛檔限位開關(guān)通知計(jì)算機(jī)掛檔成功與否；③ 掛檔時(shí)的瞬問點(diǎn)動(dòng)需向接口輸出短時(shí)運(yùn)動(dòng)命令，這在PLC中很難順利實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐话鉖AL系統(tǒng)無法處理電機(jī)的運(yùn)動(dòng)問題：④ 為彌補(bǔ)自動(dòng)掛擋的不足，在面板上保留了手動(dòng)掛擋的按鈕開關(guān) 這些問題在該加工中心PAL軟件中均有較好的處理。
2．夾緊、放松問題在大型數(shù)控機(jī)床中比較突出．為了在大慣量條件下準(zhǔn)確定位，坐標(biāo)軸在到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)必須立即夾緊，運(yùn)動(dòng)時(shí)再放松。有的坐標(biāo)軸還分成低夾和高夾，以免夾緊時(shí)抖動(dòng)。這些功能要求增加了接口軟件編寫的難度。
3．出現(xiàn)了通常NC程序和PLC程序的耦合問題。例如上述提到的C軸高夾和低夾問題，判斷進(jìn)入高夾帶、低夾帶所用的公式為：終點(diǎn)位置一現(xiàn)行位置+跟隨誤差。這些系統(tǒng)參數(shù)在PLC數(shù)據(jù)區(qū)中是沒有的，原控制程序中NC和PLC (PAL)是混合開發(fā)的．不存在此類問題，對(duì)一般改造用戶來說，提取這些系統(tǒng)參數(shù)則存在一些圍難。
4．單方向趨近對(duì)大型機(jī)床準(zhǔn)確定位格外重要，目前許多數(shù)控系統(tǒng)均有此種功能，在改造中極為方便。
5．某些參數(shù)的選擇范圍。我們發(fā)現(xiàn)大型數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)軟件增益KC非常低(系統(tǒng)位置環(huán)增益KV=KC·KD· KM·KA，見筆者專著《機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控》)，一般在0．002~0．005之間。由于KC值定得低，使得系統(tǒng)位置環(huán)增益KV值大大低于1。這樣的低增益系統(tǒng)易于穩(wěn)定，調(diào)整方便，適臺(tái)于大型機(jī)床，缺點(diǎn)是跟隨誤差稍大。
二、C軸振蕩的軟件維修
該加工中心端鏜床C軸是一個(gè)回轉(zhuǎn)軸，用于加工機(jī)座端面100多個(gè)孔，定位夾緊以后，在Z軸方向進(jìn)刀鉆孔。從1997年底開始，C軸定位發(fā)生振蕩，無法找到準(zhǔn)確定位位置，左右搖擺，嚴(yán)重影響加工進(jìn)度。我們分析系由于機(jī)械部分磨損，致使到位帶已不能滿足要求，需擴(kuò)大。這對(duì)于新型數(shù)控系統(tǒng)而言是非常簡單的，只要修改一下到位帶參數(shù)即可，但對(duì)于該臺(tái)20世紀(jì)70年代末期的二手設(shè)備卻不是一件容易的事。A—B7320數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床參數(shù)不對(duì)用戶開放，一經(jīng)調(diào)試完畢即存入機(jī)床參數(shù)區(qū)(以絕對(duì)地址方式出現(xiàn))。機(jī)床參數(shù)中的NC參數(shù)約有l(wèi)0個(gè)，其中包括到位帶和夾緊帶，只需將其適當(dāng)擴(kuò)大，C軸振蕩問題即可解決。當(dāng)然此種軟件維修是臨時(shí)性的，徹底的解決辦法是對(duì)機(jī)械磨損進(jìn)行維修。
三、數(shù)控系統(tǒng)的選型
本次改造是用兩臺(tái)A-B9／260CNC取代原有的A-B7320CNC系統(tǒng)。同時(shí)更換的還有九個(gè)坐標(biāo)的直流伺服，直流電機(jī)暫不換。A-B7300系列和 9系列CNC數(shù)控系統(tǒng)分別誕生于20世紀(jì)70年代和90年代，跨度為20年。其間微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、軟件技術(shù)等均有飛速發(fā)展，因此9系列比7300系列從整體水平上有很大提高，但9系列的系統(tǒng)軟件完全是從7300系列軟件脫胎而來。這一點(diǎn)對(duì)于成功的數(shù)控改造意義很大，現(xiàn)分析見下。
1．7300系列和9系列軟件均采用前后臺(tái)型控制結(jié)構(gòu)。7300系列的前臺(tái)程序?yàn)橐粋€(gè)10ms的中斷服務(wù)程序，數(shù)控機(jī)床的重要功能如插補(bǔ)、位控、 PAL(PLC)、監(jiān)控等均在其中。9系列的前臺(tái)程序仍為一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，但采樣(處理)周期變成6～30ms，每2ms一個(gè)臺(tái)階，這給用戶提供了極大的靈活性。另外一點(diǎn)不同是9系列可將PAL程序分成前臺(tái)和后臺(tái)兩塊，以適應(yīng)較大規(guī)模I／O點(diǎn)控制的場(chǎng)合，減輕前臺(tái)負(fù)擔(dān)前后臺(tái)控制是經(jīng)典的實(shí)時(shí)控制方法。多級(jí)中斷的控制法可視作前后臺(tái)控制的變異，即最低級(jí)中斷可視為后臺(tái)程序，而其余中斷可視為前臺(tái)程序。
2．9系列PAL (PLC)手冊(cè)中提供了四個(gè)730o紙帶方式變量，分別是請(qǐng)求變量、方式指示變量、前零后省略變量和托盤請(qǐng)求變量，系為73o0零件加工紙帶在9系列環(huán)境中使用而設(shè)立。這種紙帶兼容性能很大程度上保護(hù)了用戶的利益，使一些經(jīng)過考驗(yàn)的零件加工程序得以原封不動(dòng)地在9系列中使用。從另一個(gè)角度看，9系列和 7300系列的系統(tǒng)軟件有很大的相似性和繼承性。
3．7300CNC和9系列CNC提供的PAL變量有極大的相似性。對(duì)數(shù)控機(jī)床改造而言，PAL變量是編寫PAL程序的先決條件。系統(tǒng)提供的PAL變量反映了系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)和功能。PAL變量越豐富，其接13軟件的開發(fā)愈靈活，但CNC系統(tǒng)程序的開發(fā)難度愈大。7300系列提供的隊(duì)L變量約120個(gè)左右．9系列則有281個(gè)。從總體上說9系列的PAL功能比7300系列強(qiáng)許多。7300系統(tǒng)中用的PAL變量均能在9系列的PAL變量中找到，這給數(shù)控化改造提供了許多便利。
