排查串行主轴的辅助控制和故障排查方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：数控机床串行数字主轴的控制除上述介绍的主回路外，还涉及机床操作面板上的按钮、各类开关、状态指示灯、I/O单元或模块及中间继电器等组成的辅助控制回路。串行主轴的辅助控制主要包含主轴速度倍率的修调、正反转控制、点动控制、齿轮换挡控制、刀具夹紧和内孔吹屑控制、主轴准停控制及主轴冷却润滑控制等环节。

数控机床串行数字主轴的控制除上述介绍的主回路外，还涉及机床操作面板上的按钮、各类开关、状态指示灯、I/O单元或模块及中间继电器等组成的辅助控制回路。串行主轴的辅助控制主要包含主轴速度倍率的修调、正反转控制、点动控制、齿轮换挡控制、刀具夹紧和内孔吹屑控制、主轴准停控制及主轴冷却润滑控制等环节。其中，主轴齿轮换挡控制、刀具夹紧和内孔吹屑控制、主轴准停控制已在第4.2.1节和第4.3.3节进行了介绍，下面就主轴速度倍率的修调、正反转控制和点动控制进行介绍。

1.主轴速度倍率的修调及故障

在MDI/手动数据输入模式或MEMORY/自动运行模式下，操作人员或维修人员可使用操作面板上的主轴速度倍率修调旋钮（见图4-155）来控制主轴的实际旋转速度，并将加工程序中指令的主轴速度S值按10%分级，进行50%～120%（有的为50%～150%，由选用的倍率修调旋钮决定）的修调；另外，数控机床上不建议使用过低甚至为0的主轴速度倍率修调，目的是防止切削工件时主轴不转而产生危险后果。当加工程序中由S代码设定主轴速度1000r/min时，主轴速度倍率修调旋钮选择80%，则主轴实际转速为1000r/min×80%=800r/min。

在攻螺纹循环或螺纹切削时，主轴速度倍率的修调无效、被强制为100%。如有特殊的需求，可通过CNC参数#3708.6/TSO=1使攻螺纹循环或螺纹切削中的主轴倍率有效（0为无效，即固定为100%）。

（1）VX750M立式加工中心（FANUC18iMB系统）主轴倍率修调的控制过程（见表4-49）

图4-155 主轴速度倍率修调旋钮

表4-49 主轴倍率修调的控制过程

1）主轴速度倍率旋钮的输入信号为X0104.5、X0104.6和X0104.7，经由继电器R0612.2、R0612.3和R0612.4进行相应的PMC逻辑。

2）利用R0612.2、R0612.3和R0612.4的常闭触点，对主轴速度倍率旋钮的输入信号进行取反操作，结果放在地址R0124.0、R0124.1和R0124.2。

3）利用NUMEB二进制常数定义指令，定义主轴倍率起始值为50（1字节长的二进制数），并将50输出至R0126中（ACT=1执行NUMEB指令）。

4）利用MULB二进制乘法运算指令，把R0124.0、R0124.1和R0124.2中数值乘以常数10，运算结果输出至R0126中（ACT=1执行MULB指令）。当乘法运算结果超过1字节长的指定长度时，R0133.0=1，经逻辑后输出报警“Spindle Data Over Alarm2.6”。

5）利用ADDB二进制加法运算指令，把R0126中经过MULB乘法运算的结果再加上50，运算结果由PMC传送至CNC中的主轴倍率信号地址G30（ACT=1执行ADDB指令）。当加法运算结果超过1字节长的指定长度时，R0133.1=1，逻辑后输出报警“Spindle Data OverA-larm2.6”。

（2）VX750M立式加工中心（FANUC 18iMB系统）主轴倍率修调的常见故障与排除

1）主轴速度倍率修调旋钮的X输入信号因断线、倍率旋钮损坏等不能输入PMC中。此时可通过PMCDGN诊断画面的STATUS状态子画面，查看与倍率旋钮状态相对应的输入信号X104.5、104.6和X104.7是否置1，若对应状态不能置1，则可能为断线故障；若更换连接线后不能消除故障，则为倍率旋钮损坏，需更换。

2）主轴倍率旋钮的DC+24V供应不正常，如DC+24V电源无输出或倍率旋钮上DC+24V的输入管脚开焊等。用万用表的直流电压挡对DC+24V进行测量，以确定故障原因。VX750M立式加工中心（FANUC 18iMB系统）主轴倍率修调的PMC梯形图见图4-156。

2.主轴正反转和点动的控制及故障

在数控机床的实际加工过程中，操作者需要利用机床操作面板上的“手动主轴正转”、“手动主轴反转”、“手动主轴停止”和“JOG点动主轴”4个按钮（见图4-157），来控制机床主轴的动作，从而更换和测量（车削或镗削轴类零件时主轴每转90°测量一次工件的外径尺寸）工件、或手轮模式进行工件的试切对刀操作、甚至手动模式下进行主轴故障的检测等。除了手动控制主轴动作外，数控机床还需在自动运行模式下由程序中指定的M03、M04或M05代码进行控制，以实现主轴的自动运转或停止。机床主轴动作的手动控制和自动控制过程均为：PMC逻辑后向CNC装置传送主轴反转指令信号G70.4（SRV）或正转指令信号G70.5（SFR），然后CNC装置通过串行指令线控制主轴放大器驱动主轴电动机旋转。

下面通过LC34×3100卧式数控车床（FANUC 0iTC系统）运行模式选择、手动主轴正反转、M指令控制主轴正反转和主轴点动控制的实例分析，介绍相应动作的控制过程。

（1）LC34×3100卧式车床主轴正反转和点动控制的输入、输出信号（见图4-158）运行模式选择开关的输入信号分别为X44.0、X44.1和X44.2，手动主轴正转按钮PB03、反转按钮PB04和停止按钮PB05的输入信号分别为X40.6、X41.0和X40.7，主轴点动按钮PB06的输入信号为X41.6。主轴正反转和停止的状态指示灯HL03、HL04、HL05对应的PMC输出信号分别为Y8.3、Y8.5和Y8.4，而主轴点动状态指示灯HL14对应的PMC输出信号为Y1.4。

（2）运行模式选择开关的控制过程（见表4-50）及故障

1）运行模式选择开关的输入信号X44.0、X44.1和X44.2，进行与逻辑可组成8种状态，并由PMC内部线圈R10.0～R10.7输出。

2）由R10.0、R11.2和R11.3将运行模式的8种状态分为EDIT、Automatic和Manual三种模式；后续的手动主轴正反转需由R11.3设定为Manual模式，M指令主轴正反转则由R11.2设定为Automatic模式。

3）运行模式开关的选择信号，通过MDI1/G43.0、MDI2/G43.1等信号由PMC传输至CNC系统中。

4）运行模式选择开关的PMC顺序控制见图4-160。

5）运行模式选择开关的常见故障为X输入信号因断线、选择开关损坏等而不能输入PMC中；此时可通过PMCDGN诊断画面的STATUS状态子画面，查看与其状态相对应的输入信号X44.0、X44.1和X44.2是否置1，若对应状态不能置1，则可能为断线故障；更换连接线后不能消除故障，则为模式选择开关损坏，需更换之。另外，运行模式开关的DC24V不正常（如电源DC24V未输出或模式开关的DC24V管脚开焊等）也可能造成模式选择无效。

（3）手动主轴正反转和停止的控制过程（见表4-51）及故障

图4-156 VX750M立式加工中心（FANUC 18iMB）主轴倍率修调的PMC梯形图

图4-156 VX750M立式加工中心（FANUC 18iMB）主轴倍率修调的PMC梯形图（续）

图4-157 机床操作面板上的手动主轴操作按钮

1）手动主轴正转、反转和停止的输入信号分别为X40.6、X41.0和X40.7，运行模式状态为R11.3=1设定的Manual模式（包含RAPID快进、JOG手动、HANDLE手轮和ZRN手动返回参考点4种状态）。K7.0=1设定雷尼绍量仪的手臂回位检测有效；K0.2为主轴正反转方向与面板按钮或M指令要求方向的切换参数，0为方向一致、1为方向相反。

2）按下手动主轴正转按钮PB03后，X40.6信号接通，在主轴停止有效（R125.7=1）、面板急停按钮释放（X8.4=1）、量仪手臂回位（R124.6=1）和主轴门关闭（R215.4=1）的情况下，经过R125.2、R125.4和R125.3中间逻辑，接通主轴正转指令信号SFR/G70.5并传送至CNC中；同时机床面板主轴正转指示灯HL03点亮，以提示机床主轴当前所处的状态。最终由CNC控制主轴放大器驱动主轴电动机正向旋转，电动机速度到达后，CNC便向PMC输出SARA/F45.3主轴速度到达信号。

3）当需要手动主轴停止运转时，按下面板上的手动主轴停止按钮PB05或[RESET]复位键，切断手动主轴正转信号的保持，使SFR/G70.5信号被切断，CNC便控制主轴放大器驱动主轴电动机制动。当主轴电动机完全停止后，由CNC向PMC输出零速信号SSTA/F45.1。

图4-158 LC34×3100卧式车床主轴正反转和点动控制的输入、输出信号

表4-50 运行模式选择开关的控制过程

4）手动主轴反转的控制与之相同，读者可根据表4-51和图4-160自行分析。

5）手动主轴正反转和停止的PMC顺序控制见图4-160。

表4-51 手动主轴正反转和停止的控制过程

6）手动主轴正反转和停止控制的常见故障：因手动按钮损坏、DC24V异常、至I/O的连接线断线等造成X信号不能输入PMC中，还有与手动正反转控制的互锁条件（如主轴门关闭、量仪手臂回位等）不能被满足而不允许主轴旋转。维修人员可通过PMCLAD梯形图显示画面查看手动主轴正反转控制的逻辑关系是否满足，从而进行针对性维修。

（4）M指令控制主轴正反转和停止的过程（见表4-52）及故障

表4-52 M指令控制主轴正反转和停止的过程

1）主轴的正转、反转和停止分别由指令代码M03、M04和M05实现，K0.3=1设定运行模式为R11.2=1的Automatic模式（包含AUTO自动运行、MDI手动输入和DNC运行3种状态）。K7.0=1设定雷尼绍量仪的手臂回位检测有效；K0.2为主轴正反转方向与面板按钮或M指令要求方向的切换参数，0为方向一致、1为方向相反。

2）在Automatic模式下，程序指定主轴正转“M03S✕✕✕✕✕”时，CNC读取M03指令代码（MF/F7.0=1），经地址F10.3输出至PMC后，PMC便由二进制译码指令DECB对F10.3进行译码处理，译码结果输出至地址R300.3=00000011。

3）由R125.0（使用循环启动按钮）或R125.1发出主轴自动正转请求，当主轴停止有效（R125.7=1）、面板急停按钮释放（X8.4=1）和量仪手臂回位（R124.6=1）的情况下，经过R125.4和R125.3中间逻辑，接通主轴正转指令信号SFR/G70.5并传送至CNC中；同时机床面板主轴正转指示灯HL03点亮，以提示机床主轴当前所处的状态。最终由CNC控制主轴放大器驱动主轴电动机正向旋转，电动机速度到达后，CNC便向PMC输出SARA/F45.3主轴速度到达信号。

4）当PMC接收到来自CNC的电动机速度到达信号SARA/F45.3时，经R199.0向CNC发送M代码执行完毕信号MFIN/G5.0和M、S、T代码执行结束信号FIN/G4.3。

5）当程序读至主轴反转M04、主轴停止M05、程序结束M02（进给和冷却等全停，光标停在末尾）或M30（返回程序头），按面板上[RESET]复位键或拍下机床的EMG急停时，主轴自动正转保持信号被切断，SFR/G70.5信号中断，CNC便控制主轴放大器驱动主轴电动机制动。当主轴电动机完全停止后，由CNC向PMC输出零速信号SSTA/F45.1。

6）M04指令控制主轴反转的过程与主轴正转相同，读者可根据表4-52和图4-160自行分析。

7）M指令控制主轴正反转和停止的PMC顺序控制见图4-160。

8）M指令控制主轴正反转和停止的常见故障。

①程序中未指定主轴旋转和停止的M代码。

②CNC系统主板插接不良或软件错误，导致预读程序失败。

③M指令读取有效并被成功译码，但由于量仪手臂回位等辅助条件未满足，致使主轴自动旋转请求命令无法执行。

④由于主轴电动机测速装置故障，导致主轴速度升不上去等。

（5）主轴点动控制过程及故障

1）主轴点动按钮PB06的输入信号为X41.6，运行模式状态为R11.3=1设定的Manual模式（包含RAPID快进、JOG手动、HANDLE手轮和ZRN手动返回参考点4种状态）。K7.0=1设定雷尼绍量仪的手臂回位检测有效；K1.1=0设定主轴点动时操作门处于打开状态；K0.2为主轴正反转方向与面板按钮或M指令要求方向的切换参数，0为方向一致、1为方向相反。

2）按下主轴点动按钮PB06后，X41.6接通，在主轴液压卡盘夹紧OK（R141.0=1）、变速齿轮不换挡（R151.4=0和R154.7=0）、操作门处于打开状态（R135.7=1）及量仪手臂回位（R124.6=1）的情况下，发出主轴点动控制请求信号R121.0且面板指示灯HL06点亮；经过R125.4和R125.3中间逻辑，接通主轴正转指令信号SFR/G70.5并传送至CNC中，CNC控制主轴放大器驱动主轴电动机正向旋转，电动机速度到达后CNC向PMC输出SARA/F45.3主轴速度到达信号。

3）两种方法实现主轴的点动控制。

①电动机的速度由PMC预先编辑并输入CNC中，机床开机上电正常后直接操作点动按钮进行主轴点动控制（见图4-159）。注意：自动模式运行主轴电动机时，需将电动机速度PMC控制信号关断。

②另一种方法是预先执行一次M03 S✕✕✕✕✕或M04 S✕✕✕✕✕，对主轴电动机的速度预先赋值，再执行主轴点动，此时电动机的点动速度为上一次M03/M04操作时的S指令速度值。第4.4.2节的实例中主轴控制即为此种方法。

4）主轴点动控制的故障：因点动按钮损坏、DC24V异常、至I/O的连接线断线等造成X信号不能输入PMC中；还有与主轴点动控制的互锁条件（如液压卡盘夹紧、齿轮不换挡、量仪手臂回位和操作门打开等）不能被满足而不允许主轴点动旋转。维修人员可通过PMCLAD梯形图显示画面查看主轴点动控制的逻辑关系是否满足，从而进行针对性维修。