凸轮轴磨床数控系统改造

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凸轮轴磨床数控系统改造
作者：张锋 卢浩鹏 王亚飞
来源：《中国科技纵横》2016年第10期

【摘要】凸轮轴磨床数控系统由一百四十多块印刷线路板（由分离电子元件构成）组成，
经过二十多年的长期使用，许多线路板接插脚和参数设定拨码开关接触不良，对凸轮轴数控磨
床进行部分数控硬件升级改造，改造成西门子公司经济型、步进电机控制轴的802S数控系
统，它无风扇、无硬盘，结构简单，可靠性高。

【关键词】砂轮修整器 步进电机伺服轴报警 诊断
1概述
该机床使用的数控系统是由机床生产厂（日本NTC公司）自己研制的专用硬件数控系统
（MF微进给系统），该数控系统由一百四十多块印刷线路板（由分离电子元件构成）组成，
经过二十多年的长期使用，许多线路板接插脚和参数设定拨码开关接触不良，故障率较高。

近年来，SCAM老凸轮轴磨床频繁出现“撞刀”故障，即砂轮架快速进给时砂轮撞到了凸轮
桃尖，凸轮桃尖磨掉，零件烧伤，有时在加工时还没有到达加工尺寸砂轮会退回去，然后工作
台移位，开始加工下一个凸轮。造成零件报废的同时也给机床设备和操作人员带来了巨大安全
隐患。

2故障分析
经过仔细观察，当加工完中间凸轮颈，砂轮实际后退到5mm位置，本应RESET OK 指示
灯亮时，MF数控单元错误地显示砂轮后退位置为：10mm ，MAX RESET 指示灯亮，但实际
位置仍然为5mm，这样在磨削下个凸轮颈时，砂轮快速进给量被错误地增加了5mm，使得砂
轮快速空行程进给时，砂轮撞到凸轮轴上，即发生“撞刀”故障。

经过分析，该故障发生时的主要原因是控制砂轮进给和砂轮修整进给的数控系统老化所
致。该数控系统由一百四十多块印刷线路板（由分离电子元件构成）组成，经过二十多年的长
期使用，许多线路板接插脚和参数设定拨码开关接触不良，故障率较高。

该系统仅有部分功能框图，没有详细维修图纸，仅有的一份功能框图长期使用图纸模糊，
给机床维修带来巨大困难，近年来最长一次故障停机时间长达两个星期，严重影响凸轮轴的加
工生产效率和合格率，需要对数控系统进行升级改造。

3改造方案
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SCAM凸轮磨配置了两个进给轴，一个是砂轮架进给轴，一个是砂轮修整器进给轴，两个
进给轴均是步进电机进给轴，砂轮修整器进给轴步进电机状态良好，步进电机驱动器还有完好
的备件，在综合考虑了上述情况后，SCAM凸轮磨电气控制系统的改造项目，数控系统选用西
门子公司SINUMERIC 802S 数控系统 。改造方案结构图如图1所示。

图1
802S数控系统属于西门子公司经济型、步进电机控制轴数控系统，无风扇、无硬盘，结
构简单，可靠性高。数控系统集成了机床操作面板（MCP），具有数控机床常用操作按键，外
围接线少，调试方便。该数控系统控制轴输出信号为步进电机控制信号，这样我们就可以保留
备件齐全的砂轮修整器进给轴步进电机和驱动器，同时可以利用闲置的802S数控系统，减少
改造工作量，大大降低改造费用。

4改造措施
为节约成本，在该改造方案中要保留砂轮修整器进给轴日本VEXTA UD210 驱动器和步进
电机，然而VEXTA UD210驱动器和西门子802S数控系统的驱动信号不匹配，802S数控系统
控制轴输出信号是：PLUS+/PLUS-、DIR+/DIR-、ENABLE+/ENABLE- 即脉冲、方向、使能差
动输出，而VEXTA UD210驱动器需要的信号是：CW+/CW-、CCW+/CCW-即正反转差动脉
冲信号。

通过使用示波器观察802S系统输出控制轴信号波形，测出了PLUS+/PLUS- 、DIR+/DIR-
、 ENABLE+/ENABLE-信号的逻辑关系，据此我们自己手动设计制作一个脉冲适配器进行驱
动信号转换。通过脉冲适配器的转换，802S数控系统控制轴的输出信号就可以转换成VEXTA
UD210驱动器需要的信号。

根据设备需求，我们将西门子802S标准配置通过参数修改，将系统配置成机床要求的配
置。并根据加工特点与设备维护，进行了部分设备改造与加装。

4.1反向间隙补偿
由于砂轮加工来回往复运动，在不同加工余量进行多次变速，还有凸轮轴的刚性。使得需
求跟合理的间隙补偿，而802S就有反向间隙补偿。

在正间隙情况下（正常情况），实际编码器值超前于实际值（工作台）：工作台不会移动
的足够远。

在一个移动的机器部件与它的驱动装置（如滚珠螺杆）之间进行动力传动的过程中，一般
会产生一个较小的间隙，因为将机械部件调整为没有一点间隙将会导致严重磨损并将机器破
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坏。对于带有间接测量系统的轴/主轴，机械间隙会将移动路径破坏。 例如，在将运动方向反
转时，间隙的存在会使轴的移动量过大或过小。

为了对间隙加以补偿，某个轴的实际值可在每次轴/主轴反转运动方向时，通过间隙量进
行校正。

4.2诊断功能
为了进行维护，控制装置中集成了一个自诊断程序和一些测试辅助工具。操作员面板上将
显示以下部分的状态：CNC 和 PLC 以及 PLC 和机床之间的接口信号；变量；PLC 位存储器、
定时器和计数器；PLC 输入和输出。

为了进行测试，用户可以设置输出信号、输入信号和存储器位的组合。报警和消息也可提
供宝贵的诊断信息。在维护显示菜单中，可调用与轴和主轴驱动器有关的重要信息，如：绝对
实际位置（仅限 SINUMERIK 802C base line/802D/802D base line），位置给定值，跟踪误差
（仅限 SINUMERIK 802C base line/802D/802D base line），速度设定值，实际速度值。

4.3报警和消息
零件程序中的报警与消息：我们对消息进行编程，以便在程序执行过程中为操作员提供关
于当前处理状态的信息。

所有报警与消息都以普通文字的形式在操作员面板上输出，并通过一个符号来指示清除标
准。报警文字存储在控制器中。来自机床的报警与消息可以普通文字的形式通过 PLC 程序显
示。状态消息和故障消息有所不同。状态消息可立即被清除，而故障消息总要得到确认。控制
器对报警或消息的响应可进行组态，而所需文本存储在控制器中。

4.4原点返回方法
我们在砂轮轴与金刚轮轴都加装了原点开关，松开紧急停止按钮，启动液压后，按复位
键。使手动按钮和回零按钮呈按下状态，对砂轮轴X回零，按住+X（当X轴加装的原点开关
处于未触发状态），直到X坐标为零，界面上X位置出现回零灯，若中途松开按钮，会出现
警告框，此时按复位取消警告，可继续进行操作，若X轴在启动时正号停在原点开关触发位
置，则需要按手动脱开原点开关，然后再执行回零操作。同样方法对金刚轮轴Z回零。

我们将西门子802S数控系统安装在原MF单元的控制箱上，减少了安装工作量。保留了
802S操作面板上操作方式切换键、循环启动、停止键，大大方便机床维修工作。通过在MCP
面板上设置的K12键，使得循环启动可以人为控制，这样就巧妙地实现了单独颈磨削功能。
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新增手持电子手轮，比原机床固定电子手轮增加了修整器进给轴控制功能、手轮进给倍率功
能，方便了零件加工调整。

5改造效果
（1）项目实施完成后，经过一个多月的使用，没有出现过 “撞刀”故障，成功地解决了
SCAM凸轮磨“撞刀”难题。达到了降低机床故障率，降低零件加工废品率。排除了因“撞刀”造
成的对设备和操作人员带来的安全隐患，提高机床操作安全性能。（2）项目实施后，除了保
留原系统具有的锥度补偿、修整补偿外，新增了单独颈尺寸补偿，提高了零件加工尺寸的一致
性。（3）改造项目将数控系统由原来的硬件数控系统升级为计算机为核心的软硬件结合的新
型数控系统，避免了硬件数控系统长期使用后电路板插脚接触不良造成的数控系统故障率高，
维修困难的难题。新型数控系统可以实现PLC I/O接口状态监控，使得维修更为便捷，从而降
低设备故障停机时间。（4）成立了年轻同志的SCAM凸轮轴磨床电气改造项目团队，通过项
目的实施，使得年轻同志掌握了西门子802S/C数控系统系统配置技术、零件加工程序的编
程、PLC程序设计。掌握了西门子PLC程序调试软件的使用要求。现在团队中的年轻同志已
经掌握了该机床的维修技术，能够独立解决该机床出现的常见故障，提高了整个团队的业务水
平。

参考文献：
[1]巫世晶.设备管理工程.北京：中国电力出版社，2005.
[2]李葆文.设备管理新思维新模式.北京：机械工业出版社，1999.
[3]杨林建.机械设备自动化改造.北京：北京理工大学出版社，2008.
[4]柴娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用.北京：机械工业出版社，2006.
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