大型机座加工中心的维修改造

摘要：介绍对引进二手大型汽轮发电机机座加工中心的数控系统进行改造及对C轴定位振荡问题进行软件堆修的情况。对大型数控设备存在的大惯量带来的时延，夹紧、放松，NC程序和PLC程序耦合，某些参数的选择范围等进行了分析。改造系以A-B9／260CNC取代原有A-B7320CNC 系统，文章对A-B7300系列和9系列软件的功能进行了分析对比。

l997年应上海汽轮发电机有限公司之邀，笔者对该公司大型汽轮发电机机座加工中心的改造进行方案论证，并对C轴定位振荡问题进行软件维修。由此对大型二手设备的维修及改造问题进行了有益的探索，获得不少经验。

该机座加工中心是1992年从美国西屋公司引进的二手设备，由美国弗雷尔公司制造。它由端镗床、恻镗床和转台三大部分组成，悬臂伸展7、5m，直径1．5m，转台长12m，宽4．2m，承载140t，可用于加工30o、6o0和9o0MW 汽轮发电机机座，是我国汽轮发电机制造业中的特大型专用设备该加工中心的控制系统为两台A—B7320数控系统，分别控制端镗床和侧镗床，控制软件由A- B公司开发，包含PAL(即PLC软件)。因为大型数控设备的特殊性，其PAL软件和NC软件混合在一起开发，因此PAL接口软件是不可读写的，只能运行，这给数控设备改造带来很大困难。为彻底弄清PAL接口软件，我们进行了破译和分析，弄清了大型设备PAL接口软件设计中的一些特殊问题，同时掌握了大量机床参数。

一、大型数控设备的特殊问题

1.大、中型数控机床的主轴一般采用带齿轮变速的传动方式，这是为了保证低速时可传递较大的扭矩，同时能扩大恒功率区的变速范围。既然有齿轮变速，就存在一个“挂档” 问题大型机床挂档常采用液压拨叉，为预防“顶齿”现象常采用主电机的瞬间点动来实现，因而带来下列问题：① 大惯量带来的时延需用时间继电器检测，超过一定时间，显示挂挡失败；②为可靠起见，挂档结束时应由挂档限位开关通知计算机挂档成功与否；③ 挂档时的瞬问点动需向接口输出短时运动命令，这在PLC中很难顺利实现，因为一般PAL系统无法处理电机的运动问题：④ 为弥补自动挂挡的不足，在面板上保留了手动挂挡的按钮开关这些问题在该加工中心PAL软件中均有较好的处理。

2.夹紧、放松问题在大型数控机床中比较突出．为了在大惯量条件下准确定位，坐标轴在到达目标位置时必须立即夹紧，运动时再放松。有的坐标轴还分成低夹和高夹，以免夹紧时抖动。这些功能要求增加了接口软件编写的难度。

3.出现了通常NC程序和PLC程序的耦合问题。例如上述提到的C轴高夹和低夹问题，判断进入高夹带、低夹带所用的公式为：终点位置一现行位置+跟随误差。这些系统参数在PLC数据区中是没有的，原控制程序中NC和PLC (PAL)是混合开发的．不存在此类问题，对一般改造用户来说，提取这些系统参数则存在一些围难。

4.单方向趋近对大型机床准确定位格外重要，目前许多数控系统均有此种功能，在改造中极为方便。

5.某些参数的选择范围。我们发现大型数控机床的计算机软件增益KC非常低(系统位置环增益KV=KC·KD· KM·KA，见笔者专著《机床计算机数控》)，一般在0．002~0．005之间。由于KC值定得低，使得系统位置环增益KV值大大低于1。这样的低增益系统易于稳定，调整方便，适台于大型机床，缺点是跟随误差稍大。

二、C轴振荡的软件维修

该加工中心端镗床C轴是一个回转轴，用于加工机座端面100多个孔，定位夹紧以后，在Z轴方向进刀钻孔。从1997年底开始，C轴定位发生振荡，无法找到准确定位位置，左右摇摆，严重影响加工进度。我们分析系由于机械部分磨损，致使到位带已不能满足要求，需扩大。这对于新型数控系统而言是非常简单的，只要修改一下到位带参数即可，但对于该台20世纪70年代末期的二手设备却不是一件容易的事。A—B7320数控系统的机床参数不对用户开放，一经调试完毕即存入机床参数区(以绝对地址方式出现)。机床参数中的NC参数约有l0个，其中包括到位带和夹紧带，只需将其适当扩大，C轴振荡问题即可解决。当然此种软件维修是临时性的，彻底的解决办法是对机械磨损进行维修。

三、数控系统的选型

本次改造是用两台A-B9／260CNC取代原有的A-B7320CNC系统。同时更换的还有九个坐标的直流伺服，直流电机暂不换。A-B7300系列和 9系列CNC数控系统分别诞生于20世纪70年代和90年代，跨度为20年。其间微电子技术、计算机技术、控制技术、软件技术等均有飞速发展，因此9系列比7300系列从整体水平上有很大提高，但9系列的系统软件完全是从7300系列软件脱胎而来。这一点对于成功的数控改造意义很大，现分析见下。

1.7300系列和9系列软件均采用前后台型控制结构。7300系列的前台程序为一个10ms的中断服务程序，数控机床的重要功能如插补、位控、 PAL(PLC)、监控等均在其中。9系列的前台程序仍为一个实时中断服务程序，但采样(处理)周期变成6～30ms，每2ms一个台阶，这给用户提供了极大的灵活性。另外一点不同是9系列可将PAL程序分成前台和后台两块，以适应较大规模I／O点控制的场合，减轻前台负担前后台控制是经典的实时控制方法。多级中断的控制法可视作前后台控制的变异，即最低级中断可视为后台程序，而其余中断可视为前台程序。

2.9系列PAL (PLC)手册中提供了四个730o纸带方式变量，分别是请求变量、方式指示变量、前零后省略变量和托盘请求变量，系为73o0零件加工纸带在9系列环境中使用而设立。这种纸带兼容性能很大程度上保护了用户的利益，使一些经过考验的零件加工程序得以原封不动地在9系列中使用。从另一个角度看，9系列和 7300系列的系统软件有很大的相似性和继承性。

3.7300CNC和9系列CNC提供的PAL变量有极大的相似性。对数控机床改造而言，PAL变量是编写PAL程序的先决条件。系统提供的PAL变量反映了系统程序的结构和功能。PAL变量越丰富，其接13软件的开发愈灵活，但CNC系统程序的开发难度愈大。7300系列提供的队L变量约120个左右．9系列则有281个。从总体上说9系列的PAL功能比7300系列强许多。7300系统中用的PAL变量均能在9系列的PAL变量中找到，这给数控化改造提供了许多便利。

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