自适应加工控制技术在CNC机床上的应用

如何提高金属切削数控机床的加工效率,充分利用机床主轴最大转速、最大负载和轴最大进给速率,加工材质、切削量多变的工件,同时又能自动保护机床和主轴系统,保护较昂贵的进口刀具,这已经越来越受到终端用户和机床制造厂家关注的问题之一。以色列OMAT公司的ACM自适应控制监控系统正是为了适应这种要求,从控制角度为解决该问题提出的理想方案。

OMAT公司ACM作为西门子840D数控系统的重要选件,可以提供多种版本形式,外装式ACM装置、纯软件集成式ACM、PC卡软硬件混合式ACM和单元软硬件混合式ACM。其中,第一种软硬件均做在ACM装置中,外部接线多,但不受数控系统和主轴驱动器的限制,主要针对老系统和不能安装集成ACM系统的机床用。第2、第3种是软件为主的ACM系统,极少或无外部接线,但是受非出口型数控系统限制,要求系统软件版本高,目前在出口到国内的840D系统中难以实现。因此我们在与OMAT公司合作中选用了第4种版本的ACM系统。

单元软硬件混合式ACM系统工作原理

该ACM系统由三部分组成(图1)。

图1 单元软硬件混合式ACM系统

·ACM控制单元:数字量输出至840D系统的NCU,模拟量输入信号来自OMAT功率传感器模块。ACM测量采集的主轴功率信号通过SINUMERIK RS232 串口与CNC的PC部分通讯。

·ACM实时控制软件:集成在ACM控制单元的微处理器中。

·ACM用户画面接口:Windows用户图形界面用于配置和监控自适应控制过程。

ACM是一个实时自适应控制系统,实时采样机床主轴负载变化,据此自动调节机床进给率至最佳值。并且时实监视记录主轴切削负载、进给率变化,刀具磨损量等加工参数,并输出图形、数据至Windows用户图形界面。这些数据还可以存储在硬盘供以后查阅存档。

安装与调试

1．硬件安装

原理图见图2所示,主轴功率经OMAT LA55-P型电流互感器测量,功率转换器放大后,由9芯插头输入至ACM控制单元；进给修调数字量信号输入至PLC输入模块；ACM控制单元与PCU50(用户操作接口)由RS232串口通信连接。此外还有以下控制信号:ACM激活后给PLC的输入信号；ACM出现故障进给保持信号；以及PLC报警使ACM产生复位的ACM RESET信号。

图2 原理图

2．PLC软件编程

(1)下载OMAT标准PLC控制程序FB30并在OB1中调用:

CALL FB30 “OMAT_CYCLIC FB”

ACMFEEDOUT := IB40 //来自ACM的进给修调信号

ACMFEEDOUT := I40.6 //来自ACM的报警进给保持信号

ACMFEEDOUT := I40.7 //来自ACM的激活信号

ACMFEEDOUT := T10 //来自ACM的激活延时信号

(2)局部修改西门子标准MCP(机床控制面板)管理子程序FC19:

U DB50.DBX11.0 "OMAT_CYCLIC FB_IDB". ACMALARMOUT //PLC报警信号

R≠#MST_Inp23 [ 0 > "NC_STOP" //使NC停止

(3)编程NC报警文本程序(程序略)

(4)修改机床参数:MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[23>=1.3

MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[24>=1.4

MD12030 OVER_FACTOR_FEEDRATE[25>=1.5

3．ACM用户图形界面PC软件安装

(1)在F:>\OEM下创建OPMS新目录

(2)将OMAT软盘上的下列文件拷入新建目录F:>\OEM\OPMS

·OPMS.MDI ·OPMS.ZUS

(3)将文件025_GR.DLL和025_UK.DLL拷贝到F:>\OEM\LANGUAGE；

打开文件RE_GR.INI和RE_UK.INI插入语句:HSKT=“OMATIVE ACM”

(4)打开F:>\OEM下的文件REGIE.INI插入语句:

TASK=NAME:=OPMS,TimeOut=6000

(5)拷贝OPMS.INI到F:>\OEM；拷贝OPMS.EXE到F:>\HMI_ADV

(6)安装结束后重新启动西门子HMI。

运行OMAT ACM系统

图3 ACM主画面

ACM PC软件安装完毕,在西门子840D系统主菜单增加名为OMAT ACM的软键,按此键进入ACM主画面(见图3)主画面显示下列信息。ACM运行方式,3种方式选其中之一。状态监视,过载、运行、主轴、在线/离线等状态。主轴功率和进给率是实时变化曲线及数值。当前运行值,参考编号、零件编号、开始加工时间、运行耗时、切削工件耗时、节约用时(%)、最小进给率(%)、最大进给率(%)、当前修调值(%)。

ACM工作模式:

ACM启动/停止方式:通过NC程序H功能自动或者手动启动/停止运行。

切削参数输入方式:切削参数如,刀具类型、齿数、工件材料、切削量(深度)和速度可以手动(Preset)或者在学习(Learn)方式自动记录切削参数,然后在学习后(by learn)方式按照记录参数,监控机床运行。

ACM运行方式:

进给控制方式:ACM连续测量主轴负载并且实时自动调节进给率,出现过载则发出报警停止机床。

监控方式:ACM连续测量主轴负载但不调节进给率,有两种监控模式供选择—最大负载监控或负载允差监控。

事件记录方式:在此方式ACM只是将动态切削数据存储在系统存储器中,不做输出处理。

OMAT ACM的特色和效果

传统金属加工刀具断裂不可检测和控制、刀具磨损靠手动监视、效率低,而OMAT ACM系统的自适应控制技术对传统加工技术提出了挑战,优化了金属切削CNC加工过程,提高了加工效率。典型应用统计:轮廓铣削省时约38%；铣槽省时约34%；3D铣面省时约37%；钻孔省时约28%。并且具有下列保护功能:铣刀断裂保护(报警并停机防止工件及后续刀具损坏)；深孔钻刀具断裂保护(报警并停机)；刀具磨损监控(数字显示磨损量)；主轴过载保护(报警或停机)。

正是由于OMAT ACM独特的自适应控制技术,效果显著的实用性,国外许多著名公司如Siemens AG、 Turbinenwerke、 Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishi Motors, Toshiba GE 和Toyota Motors等公司都已大量使用,取得了明显的效果。

交大昆机科技股份有限公司与以色列OMAT公司合作,成功地将单元软硬件混合式ACM系统集成安装于产品机床THM4680卧式加工中心的840D系统上,还做了大面工件切削对比实验,切削效率提高约33%。ACM的机床负载量化控制以及对刀具、主轴的安全保护功能,使得操作者放心最大限度的满负荷使用机床,而又不至于对机床造成伤害。这尤其适用于面切削、加工铸钢等硬质材料、模具加工业、深孔钻削、使用高价进口刀具等用户。国内航空航天、纺织、家电等行业的知名企业也率先正在陆续使用该产品。相信随着数控加工技术、高速切削等先进金属加工理念在国内企业的普及应用,自适应加工技术一定会得到广泛应用。

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