中达自动化方案在外圆磨床上的高效应用
2008/3/20 9:40:00
1 引言
外圆磨床是对胚件外圆进行研磨，并对胚件尺寸精加工、同时通过精加工实现胚件表面光洁度。因此，外圆磨床是加工精度很高的机床。而其加工的工件也相对固定，这就给中达通用型数控系统提供了展现高开放性的很好平台。
中达通用型数控系统的显示画面、内部PLC、I/O点规划、内部参数规划都是开放的，可依照需求修改和规划，能实现对相对固定工件加工数据的直观输入，不需修改G代码程序，使操作者的工作简单、简化，提高效率。
2 外圆磨床工作原理
外圆磨床使用两个伺服轴X、Y。电机带动夹头和工件旋转，同时，砂轮也旋转，工件和砂轮旋转轴心是平行于X轴的两个轴，旋转方向相反，通过砂轮和工件表面的摩擦加工工件。两个伺服轴X轴、Y轴的移动，改变工件的直径和形状。外圆磨床属于精度较高的机床，对基台、丝杠、数控系统、伺服的要求都比较高。传统外圆磨床是用液压带动Y轴运动，这使加工工件受到很大限制。使用数控之后，Y轴的位置和速度的可控性、NC程序的自动修整砂轮，使加工工件的范围大大增大。
3 基于台达自动化平台的数控外圆磨床解决方案
由于使用需求和设计的不同，不同机床的机械和电气设计也不尽同，中达通用型数控系统的开放性，能最大程度满足每台机床的特殊要求。
依托母公司台达系列齐全的自动化产品，中达能以最经济、简便、高效的方式，为机床客户量制解决方案。采用由中达高开放性PUTNC-H4C-2数控系统、台达ASDA-B伺服系统、VE系列变频器组成的数控磨床整体解决方案，能使机床制造商、最终客户都得到满意服务与效益最大化。
3.1 PUTNC-H4C-2数控系统的技术特点
台达PUTNC-H4C-2数控系统如图1所示。工件定义画面如图2——图5所示。
（1）开放式的系统架构，内含嵌入式PLC，能满足各类制造商的不同要求。
（2）高清晰LCD液晶显示，用户可自行规划画面内容。
（3）最多驱动3路伺服轴（X、Y、A）。
（4）配合PLC开发，可自定义按键功能，使操作更灵活。
（5）提供标准24点输入和16点输出，可选配I/O扩展单元，56点输入，64点输出。
图1 PUTNC-H4C-2数控系统
图2 工件选择画面
图3 1号工件设置画面
图4 2号工件设置画面
图5 砂轮修整画面
3.2 MCM数控参数修改
00012500 ;022 Tool #1 radius compensation
00000006 ;058 X-axis，Backlash compensation，0～255
00000027 ;059 Y-axis，Backlash compensation，0～255
00001500 ;061 X-axis，JOG Feed-rate & power-on G01 speed
00001500 ;062 Y-axis，JOG Feed-rate speed
00000010 ;064 X-axis，Resolution Denominator，(Encoder pulse)
00000004 ;065 X-axis，Resolution Numerator，(Ball-screw pitc
00000010 ;066 Y-axis，Resolution Denominator，(Encoder pulse)
00000004 ;067 Y-axis，Resolution Numerator，(Ball-screw pitc
00003000 ;079 X-axis，G00 Traverse speed limit
00003000 ;080 Y-axis，G00 Traverse speed limit
00000000 ;082 X-axis，Direction of motor rotation，0=CW，1=CCW
00000001 ;083 Y-axis，Direction of motor rotation，0=CW，1=CCW
00006000 ;093 X-axis，Software OT limit，(+) direction
00006000 ;094 Y-axis，Software OT limit，(+) direction
-09999999 ;096 X-axis，Software OT limit，(-) direction
-00342000 ;097 Y-axis，Software OT limit，(-) direction
00000256 ;136 X-axis，Home grid direction during HOME executio
00000256 ;137 Y-axis，Home grid direction during HOME executio
00000004 ;141 X-axis，Denominator，MPG resolution calc.
00000010 ;142 X-axis，Numerator，MPG resolution calc.
00000004 ;143 Y-axis，Denominator，MPG resolution calc.
00000010 ;144 Y-axis，Numerator，MPG resolution calc.
-00000001 ;161 X-axis Pitch Error mode
-00000001 ;162 Y-axis Pitch Error mode
00060000 ;164 X-轴导螺杆螺距误差补偿每段长度设定
00050000 ;165 Y-轴导螺杆螺距误差补偿每段长度设定
00000000 ;167 X-轴 40 段补偿量设定-1
-00000002 ;168 X-轴 40 段补偿量设定-2
-00000002 ;169 X-轴 40 段补偿量设定-3
00000010 ;207 Y-轴 40 段补偿量设定-1
00000006 ;208 Y-轴 40 段补偿量设定-2
-00000004 ;209 Y-轴 40 段补偿量设定-3
-00000008 ;210 Y-轴 40 段补偿量设定-4
00000002 ;211 Y-轴 40 段补偿量设定-5
-00000001 ;212 Y-轴 40 段补偿量设定-6
-00000001 ;213 Y-轴 40 段补偿量设定-7
3.3 加工变量定义
3.4 NC程序范例
（1）新砂轮修整程序：新砂轮修整是要把一个新的平砂轮，修整成如图4所示的砂轮，一侧是一个一定半径、一定弧度的圆弧。这个圆弧的半径和弧度是根据待加工工件的圆弧的半径和弧度计算所得，待加工工件如图4中所示。
o0005
G65 P#460 L3 A#342 B2.
G65 P#464 L31 A12.5 B4200
G65 P#465 L32 A12.5 B4200
G65 P#466 L03 A12.5 B#465
G65 L1 P#461 A0
G00 Y-#460
X-#341
G01 V-2. F#345
N10
G03 U-#466 V#464 R12.5
G02 U#466 V-#464 R12.5
V-16.
V15.960
G65 L2 P#461 A#461 B1
G65 P10 L84 A#461 B250
G01 V-0.01
G03 U-#466 V#464 R12.5
G02 U#466 V-#464 R12.5
V-10.
V10.
G01 V0.005
G03 U-#466 V#464 R12.5
G02 U#466 V-#464 R12.5
V-10.
V10.
M02
（2）工件2加工程序： 因为加工工件的砂轮一侧有圆弧型，所以需使用刀具半径补偿的指令G40、G41、G42。需要在MCM参数中做出设定：00012500 ;022 Tool #1 radius compensation（第一组R刀具半径补正值设定）。
o0002
G65 P#430 L3 A#322 B20.
G65 P#431 L2 A#321 B12.5
G65 P#432 L3 A#431 B#326
G65 L1 P#433 A0
N20
G00 Y-#430
X-#321
G41 X-#431 Y-#430 D1
U-#328 V-#328
G01 V-35. F#331
G03 U#326 V-#326 R#326
G01 V#326
G40 X-#432 Y-#430
G65 L2 P#433 A#433 B1
G65 L84 P20 A#433 B#332
U-#329 V-#329
G01 V-35. F#331
G03 U#326 V-#326 R#326
G01 V#326
G40 X-#432 Y-#430
U-#330 V-#330
G01 V-35. F#331
G03 U#326 V-#326 R#326
G01 V#326
G40 X-#432 Y-#430
M02
4 台达伺服系统与变频器
4.1 ASDA-A系列交流伺服系统
ASDA-A系列进阶型交流伺服系统和ASDA-B标准型交流伺服系统是台达电子集团分别于03年和05年推出的2款主流伺服产品，能够全方位满足工业用户的需求，特别在CNC机床的应用上，性能表现更加优异。台达伺服针对于CNC机床领域特点：
（1）内建完整的三种（位置/速度/转矩模式）基本控制机能，可以方便的和上位控制器连接。
（2）动态响应性好，伺服整定时间1ms、空载状态下-3000RPM～3000RPM的加速时间10ms。
（3）PDFF（Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward）强健式控制架构相应更快速、对外部干扰有更强的抑制补偿能力，从而能够保证车刀切削瞬间，或其它外力突然介入时，伺服定位或定速被影响很少，如图5所示。
（4）伺服的自动增益调整功能，能自动评估负载情况并合理设置伺服增益，从而使伺服调试更简单、更快捷，且伺服定位更精准，无超越量和加速度过冲。
（5）提供共振抑制功能和低通滤波器功能，能有效弥补机械的不足和缺陷。
（6）台达ASDA-A系列进阶型交流伺服系统更具有分度定位功能，配合CNC系统PLC的I/O规划，能轻松实现伺服刀库控制。
4.2 台达VFD-VE系列磁束向量控制交流变频器
VFD-VE系列是台达为满足高端市场于2007年推出的一款全新产品，其频率输出范围为0～600Hz，而V2H型的输出更高达3333.4Hz，完全能满足CNC机床高速主轴的控制需求。利用独特位置控制功能，配合H4CL-T系统的C轴机能亦可实现主轴任意角度分度功能。
VFD-VE系列交流变频器特点：
（1）内置V/F，向量控制；转矩控制，以及位置控制功能。
（2）频率输出范围为0～600Hz，高端机型的输出更高达3333.4Hz。
（3）速度控制精度：FOC+PG闭回路控制，可达+/-0.02%。
（4）低速力矩
外圆磨床是对胚件外圆进行研磨，并对胚件尺寸精加工、同时通过精加工实现胚件表面光洁度。因此，外圆磨床是加工精度很高的机床。而其加工的工件也相对固定，这就给中达通用型数控系统提供了展现高开放性的很好平台。
中达通用型数控系统的显示画面、内部PLC、I/O点规划、内部参数规划都是开放的，可依照需求修改和规划，能实现对相对固定工件加工数据的直观输入，不需修改G代码程序，使操作者的工作简单、简化，提高效率。
2 外圆磨床工作原理
外圆磨床使用两个伺服轴X、Y。电机带动夹头和工件旋转，同时，砂轮也旋转，工件和砂轮旋转轴心是平行于X轴的两个轴，旋转方向相反，通过砂轮和工件表面的摩擦加工工件。两个伺服轴X轴、Y轴的移动，改变工件的直径和形状。外圆磨床属于精度较高的机床，对基台、丝杠、数控系统、伺服的要求都比较高。传统外圆磨床是用液压带动Y轴运动，这使加工工件受到很大限制。使用数控之后，Y轴的位置和速度的可控性、NC程序的自动修整砂轮，使加工工件的范围大大增大。
3 基于台达自动化平台的数控外圆磨床解决方案
由于使用需求和设计的不同，不同机床的机械和电气设计也不尽同，中达通用型数控系统的开放性，能最大程度满足每台机床的特殊要求。
依托母公司台达系列齐全的自动化产品，中达能以最经济、简便、高效的方式，为机床客户量制解决方案。采用由中达高开放性PUTNC-H4C-2数控系统、台达ASDA-B伺服系统、VE系列变频器组成的数控磨床整体解决方案，能使机床制造商、最终客户都得到满意服务与效益最大化。
3.1 PUTNC-H4C-2数控系统的技术特点
台达PUTNC-H4C-2数控系统如图1所示。工件定义画面如图2——图5所示。
（1）开放式的系统架构，内含嵌入式PLC，能满足各类制造商的不同要求。
（2）高清晰LCD液晶显示，用户可自行规划画面内容。
（3）最多驱动3路伺服轴（X、Y、A）。
（4）配合PLC开发，可自定义按键功能，使操作更灵活。
（5）提供标准24点输入和16点输出，可选配I/O扩展单元，56点输入，64点输出。
图1 PUTNC-H4C-2数控系统
图2 工件选择画面
图3 1号工件设置画面
图4 2号工件设置画面
图5 砂轮修整画面
3.2 MCM数控参数修改
00012500 ;022 Tool #1 radius compensation
00000006 ;058 X-axis，Backlash compensation，0～255
00000027 ;059 Y-axis，Backlash compensation，0～255
00001500 ;061 X-axis，JOG Feed-rate & power-on G01 speed
00001500 ;062 Y-axis，JOG Feed-rate speed
00000010 ;064 X-axis，Resolution Denominator，(Encoder pulse)
00000004 ;065 X-axis，Resolution Numerator，(Ball-screw pitc
00000010 ;066 Y-axis，Resolution Denominator，(Encoder pulse)
00000004 ;067 Y-axis，Resolution Numerator，(Ball-screw pitc
00003000 ;079 X-axis，G00 Traverse speed limit
00003000 ;080 Y-axis，G00 Traverse speed limit
00000000 ;082 X-axis，Direction of motor rotation，0=CW，1=CCW
00000001 ;083 Y-axis，Direction of motor rotation，0=CW，1=CCW
00006000 ;093 X-axis，Software OT limit，(+) direction
00006000 ;094 Y-axis，Software OT limit，(+) direction
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-00342000 ;097 Y-axis，Software OT limit，(-) direction
00000256 ;136 X-axis，Home grid direction during HOME executio
00000256 ;137 Y-axis，Home grid direction during HOME executio
00000004 ;141 X-axis，Denominator，MPG resolution calc.
00000010 ;142 X-axis，Numerator，MPG resolution calc.
00000004 ;143 Y-axis，Denominator，MPG resolution calc.
00000010 ;144 Y-axis，Numerator，MPG resolution calc.
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-00000001 ;162 Y-axis Pitch Error mode
00060000 ;164 X-轴导螺杆螺距误差补偿每段长度设定
00050000 ;165 Y-轴导螺杆螺距误差补偿每段长度设定
00000000 ;167 X-轴 40 段补偿量设定-1
-00000002 ;168 X-轴 40 段补偿量设定-2
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00000010 ;207 Y-轴 40 段补偿量设定-1
00000006 ;208 Y-轴 40 段补偿量设定-2
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-00000001 ;213 Y-轴 40 段补偿量设定-7
3.3 加工变量定义
3.4 NC程序范例
（1）新砂轮修整程序：新砂轮修整是要把一个新的平砂轮，修整成如图4所示的砂轮，一侧是一个一定半径、一定弧度的圆弧。这个圆弧的半径和弧度是根据待加工工件的圆弧的半径和弧度计算所得，待加工工件如图4中所示。
o0005
G65 P#460 L3 A#342 B2.
G65 P#464 L31 A12.5 B4200
G65 P#465 L32 A12.5 B4200
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V-16.
V15.960
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G02 U#466 V-#464 R12.5
V-10.
V10.
G01 V0.005
G03 U-#466 V#464 R12.5
G02 U#466 V-#464 R12.5
V-10.
V10.
M02
（2）工件2加工程序： 因为加工工件的砂轮一侧有圆弧型，所以需使用刀具半径补偿的指令G40、G41、G42。需要在MCM参数中做出设定：00012500 ;022 Tool #1 radius compensation（第一组R刀具半径补正值设定）。
o0002
G65 P#430 L3 A#322 B20.
G65 P#431 L2 A#321 B12.5
G65 P#432 L3 A#431 B#326
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G40 X-#432 Y-#430
M02
4 台达伺服系统与变频器
4.1 ASDA-A系列交流伺服系统
ASDA-A系列进阶型交流伺服系统和ASDA-B标准型交流伺服系统是台达电子集团分别于03年和05年推出的2款主流伺服产品，能够全方位满足工业用户的需求，特别在CNC机床的应用上，性能表现更加优异。台达伺服针对于CNC机床领域特点：
（1）内建完整的三种（位置/速度/转矩模式）基本控制机能，可以方便的和上位控制器连接。
（2）动态响应性好，伺服整定时间1ms、空载状态下-3000RPM～3000RPM的加速时间10ms。
（3）PDFF（Pseudo-Derivative Feedback and Feedforward）强健式控制架构相应更快速、对外部干扰有更强的抑制补偿能力，从而能够保证车刀切削瞬间，或其它外力突然介入时，伺服定位或定速被影响很少，如图5所示。
（4）伺服的自动增益调整功能，能自动评估负载情况并合理设置伺服增益，从而使伺服调试更简单、更快捷，且伺服定位更精准，无超越量和加速度过冲。
（5）提供共振抑制功能和低通滤波器功能，能有效弥补机械的不足和缺陷。
（6）台达ASDA-A系列进阶型交流伺服系统更具有分度定位功能，配合CNC系统PLC的I/O规划，能轻松实现伺服刀库控制。
4.2 台达VFD-VE系列磁束向量控制交流变频器
VFD-VE系列是台达为满足高端市场于2007年推出的一款全新产品，其频率输出范围为0～600Hz，而V2H型的输出更高达3333.4Hz，完全能满足CNC机床高速主轴的控制需求。利用独特位置控制功能，配合H4CL-T系统的C轴机能亦可实现主轴任意角度分度功能。
VFD-VE系列交流变频器特点：
（1）内置V/F，向量控制；转矩控制，以及位置控制功能。
（2）频率输出范围为0～600Hz，高端机型的输出更高达3333.4Hz。
（3）速度控制精度：FOC+PG闭回路控制，可达+/-0.02%。
（4）低速力矩
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