数控改造维修方法

     常用的数控改造维修方法，包括PLC输入输出类记录法、硬盘备份法、备件快速替代法、关键点维修法和缺陷改进法。数控改造的基本方法有采用PLC、商用CNC、工控机和PC-based NC几种可能。
关键词：数控；维修；改造
The method of CNC maintenance & retrofitting
Li Cheng-ren,  Li Hong-xia,  Tan Feng
(Northwestern Polytechnical University, Xi'an Shaanxi 710071, China)
Abstract： The paper describes several methods of CNC maintenance, including PLC I/O LED photo record、 hard disk backup、 Spareu parts rapid replacement、 Key point checking and maintenance. About CNC retrofitting, the basic method include using PLC、 commerce CNC、 industrial PC and PC based NC.
Keywords： CNC; maintenance; retrofitting
    数控维修改造是目前国内的新兴产业。由于设备维修市场发育不够成熟，因此规模较大的维修改造企业尚未形成。在发达国家，设备改造被称为“设备再制造”(Machine tool rebuild，简称MTR)是一个很大的产业。最近我们研究了美国纽约州罗彻斯特的MTR RAVENSBURG公司，它是一类再制造企业，即Rebuilding, Retrofitting, Remanufacturing。实际上这类企业是一种非标机床制造厂。它们的业务范围有：
    专机设计；              设备改造；
    设备修整；              设备调试；
    设备检测与评估；        应急修理；
    现场改造设计和管理；    刮削；
    改造的评估；            拆卸、运输、安装；
    预防性维修设计。
    上述左方为工程设计类，右方为工程服务类。
    他们提供的main projects list中包括数控、数显改造，主轴改变频驱动，增加自动润滑，机械检修，新专机制造，设备拆卸、搬运、安装等方面。所采用的数控系统包括GE-FANUC15、A-B8600、A-B9/240、A-B9/260等。一般采用交流伺服系统。
    设备维修与改造属于“再制造工程”，是“绿色制造”的一部分，在我国有着广阔的前景。
    下面分数控维修和改造二个方面，叙述其基本方法，供大家参考。
1  数控维修的基本方法
1.1  “集体会诊”法
    由主管人员主持，召集工艺、设备、操作等方面的人员进行会诊，各人提个人的方案，逐一排查，进行解决。该方法在外资公司经常采用。
1.2  PLC输入输出点记录法(PLC I/O LED photo record)
    在以往的维修中，我们发现很多设备的故障发生在上班开机时。其实设备并没有硬件故障，往往是由于操作不当或其他原因造成PLC输入信号丢失。虽然故障不大，但查找起来也比较费事。为此，我们用数码相机将正常时PLC上的输入输出指示灯情况拍摄下来，并打印出来贴在PLC旁边。这样，一旦出现类似问题，维修工只要对照照片，就能很快查出问题，甚至有时操作工都能据此发现问题。用数码相机的好处是可以将图片保存在微机中，方便分类管理和长期保存。这种照片记录对照法，我们还用在一些可调阀门、限位开关和机械定位装置上，对指导操作和维修起到了很好的作用。
1.3  硬盘备份法(hard disk backup)
    现有的很多设备都采用了工业微机作为上位机控制装置或人机界面。微机的故障80%以上是软件故障。以前，出现软件故障往往请专业计算机技术人员前来维修，一般是重新安装系统，非常耗时。我们现在采用的硬盘备份法就是预先购置一块与原机相同或相似的新硬盘，用Ghost或类似软件将原机的所有硬盘数据包括系统全部拷贝在新硬盘上，作为备份。一旦出现软件故障，只要简便地将备份硬盘换上即可，大大缩短了维修时间。而且还能预防真正的硬盘损坏。这样的工作一般维修工即可完成。
1.4  备件快速替代法(spare parts rapid replacement)
    由于电子元器件发展相当迅速，一些电气备件更新换代得很快。如变频器等高科技产品几乎两三年就更新换代一次。因此，备件在采购时很难买到与原来完全相同的型号，有时还可能购买不同公司的产品。对于这些备件的更换，一般维修工有一定的难度，特别是像变频器，若换不同厂家的产品，不但硬件接线上有所不同，而且参数的设定也不一样。为保证维修工能准确快速更换，我们事先根据现场使用的变频器和备件库现存变频器的技术参数，画一张直接替换的操作流程图和参数设定表发到各维修工手中，并贴在现场变频器旁边。其他复杂备件也采用类似方法，有效缩短了备件替换时间。
1.5  关键点维修法(key point checking and main taining)
    如何利用人数有限的维修人员最大程度地保证设备正常运转，是我们设备管理人员研究的课题。很多大型设备、生产线可能出现故障的部位面多而广，维修工在巡检时要想面面俱到是很困难的。相反很多维修工常常是不得要领，在一些次要问题上花费很多精力。针对这种情况，我们实施了一种名为“点检维修”的工作方法，用来指导维修工日常的巡检和维修。这种方法就是根据每台设备的不同情况，列出几处最为关键的部分，以图表形式下发到相关维修工，要求每天对这几处进行重点巡视检查，发现异常及时维修，取得了较好效果。在制定点检表时，必须注意以下两点。
    1)关键点必须找得恰当、准确  我们综合了设备的技术手册、有经验维修技师的意见、以及以前设备出现故障情况这三方面来确定的。
    2)关键点要“精”    一般一台大型设备或500 m２范围生产线中的关键点不超过10个，否则很可能流于形式。
1.6  缺陷改进法(defect retrofitted)
    在长期的维修工作中，我们发觉有些设备经常出现一些重复的故障，而且随机性很强。对其进一步分析后，我们发现并确认是设备在设计制造过程中存在缺陷，仅靠维修是不能根除的，必须进行改造才能根除隐患。举一个比较典型的例子，某厂有一台意大利引进的冰箱内胆真空热成型机，其加热控制部分采用了一套单片机系统与一台上位微机进行联网数据交换。其经常出现的故障是单片机与微机通讯不畅，但重新上电或换一块单片机主板可能恢复正常，其中一次故障还将微机的COM1口烧坏。后来经过查找资料，我们发现是设计时采用的通讯方式不合理所致。单片机与微机采用的是RS232C方式直联，没有隔离，并且电缆长度超过30 m。我们知道，RS232C通讯方式抗干扰性较差，通讯距离一般小于15 m。为此，我们对通讯电缆进行了改造，两端分别加装了ADAM公司的7520-RS485/RS232光隔转换器，使得在大部分距离内采用RS485方式传输数据，从此故障再也没有发生过。
1.7  实时监控法(real time monitoring)
    数控机床经常会发生一些软故障，这对诊断带来困难。此时可采用数据采集卡等将关键点信号采集并实时记录，以便诊断时进行综合分析。“虚拟仪器”的出现为实时监控提供可能性。应该注意的是，该监控系统和CNC是相互独立的，监控系统是最终用户自制的。
2  数控改造的几种选择
2.1  采用PLC实现数控改造
    在一些印刷、包装等对定位精度要求不是太高的场合，以及一些生产线控制场合，可采用通过PLC完成数控改造任务。此时采用的是通用型PLC，而不是数控专用型如FANUCPMC等。
    目前通用型PLC功能已经很强大，包括定位模块，A/D、D/A、I/O模式，可实现许多工控场合的功能。
2.2  商用CNC(PLC)、伺服系统进行改造
    这种方式是目前流行的改造模式。数控系统制造商提供愈来愈方便的调试方法和工具软件，以方便机床厂和改造商。
    调试软件主要包括伺服系统适配、梯形图和机床参数。CNC制造商一般会提供光盘和调试手册。如西门子公司在出售其经济型数控802D时，会免费提供调试CD盘以及SINUMERIK 802D简明调试指南。美国A-B公司在销售9系列CNC时，会让用户购买ODS(offline develOPMent system)软盘及手册。该ODS可在个人计算机上进行梯形图开发、机床参数设置、零件加工程序编辑等，通过232口和CNC通讯。
2.3  选择工控机进行数控改造
    不仅是金属切削机床等的数控改造，也包括过程控制、顺序控制等工控场合，可利用工控机的可靠性，选择合适工具软件或自己开发软件进行改造。
    90年代初期，我们曾用STD工控机和4套直流伺服系统，自己开发软件改造国产5040数控铣床。
    工业控制计算机采用3台8088 CPU STD计算机组成。由通讯接口连接起来。每一台STD计算机均由若干模板组成。作为分布计算机数控的硬件支持。
2.4  选择PC-based CNC
    PC-based CNC是开放式数控目前的实现方式。但距真正意义上的开放式数控还有很远距离。目前，对于“开放式结构”仍没有一致定义。某些用户认为开放式表示能够接受当地使用的通信协议；而另一些用户认为开放式意味着所有控制器操作界面完全一致。对机床应用工程师而言，开放式意味着对刀架移动、传感器和逻辑控制有标准的输入/输出接口。对大公司和大学的研究工程师来说，开放式意味着以上所有这些均来自随即拿来就用的积木块。由于来自用户和集成商的压力，开放式结构的开发正在向前发展并将继续下去。目前的一个积极成果即是基于个人计算机的CNC，即PC-based CNC。目前的具体实现，其硬件组成是个人计算机加运动控制卡。软件组成主要是计算机软件平台(如WIN，DOS)加数控系统软件。美国Delta Tau公司的PMAC多轴运动控制卡的开发在这方面走得更快一些，已开发出PC总线、VME总线、STD总线的PMAC卡。整个运动控制由PMAC独立完成。主机上运行的软件仅为一个开发环境，负责显示、调试、零件程序编制、通讯等。PMAC运行时前台负责坐标轴运动控制，后台负责PLC。采用美国MOTOROLA 56001 DSP作为CPU，可接直流、交流、步进电机。反馈元件可采用增量/绝对编码器、旋转变压器、光栅尺等。
    另一种变通做法是在硬件和软件上参照个人计算机结构，但已有了变化。比如西门子840D，按照目前MMC、CNC、PLC三位一体的数控控制机模式，在MMC上完全是一台标准的IPC工控机，但操作系统用的是Flex OS。CNC、PLC集中在NCU中，外围接口包括主轴、进给模块，I/O口等。840D和驱动611D之间连接通过总线进行(802D中开始使用现场总线profibus)，更贴近计算机的信息传递方式。另外，由于采用操作系统Flex OS，其操作界面跟普通的个人计算机非常相似。
    上面举的PMAC运动控制卡和西门子840D等，他们在基于个人计算机的CNC方面做了许多工作，但是距离真正的开放式还有许多路要走。
    理想的模式应该是工控机+实时操作系统＋开发环境＋数控函数库的模式。数控控制软件应该是可以装配的，装配的对象是数控函数库中的库函数。开发环境给用户提供开发工具，将库函数纳入到实时操作系统中去。这样一来，就象是PLC程序的开发从CNC制造商转移到机床厂、数控集成商一样，数控系统的形成亦可以从CNC制造商转移到机床厂、集成商，甚至最终用户。这才是最终意义上的开放式CNC。
3  数控改造的流程
    数控改造流程如下。
    1)订购时，主要依据主轴功率、进给扭矩、安装、I/O点数等指标进行选购。如原机床有资料可参考更好，如没有只能去现场实测。
    2)硬件联线主要应参考CNC制造商的硬件联线手册。
    3)梯形图开发主要参考制造商PLC编程手册。
    4)调试时主要依据参数手册及调试指南。
    综上所述，CNC制造商提供的硬件联结手册、PLC编程、调试手册、参数手册是必须化大力气消化的。特别是第一次改造前。
    随着数控系统越来越“个人计算机”化，数控调试时常用软件进行。如西门子840D，在调试前应将PG编程机和840D的PG口用MPI电缆(多端通信接口)连结。调试内容有两个，一个是PLC基本程序应用——激活MCP(机床控制面板)和轴使能，第二个是机床数据MD(即机床参数)调整。
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学习一下

机床改造我个人认为在我们国内是很有前景的，因为有很多设备面临着老化。