數(shù)控系統(tǒng)跟隨軸在數(shù)控立式車床雙層刀架改造上的應(yīng)用
2016-8-17 來源：湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院車機(jī)學(xué)院 作者：范芳洪
摘要：為了解決數(shù)控機(jī)床改造中充分利用系統(tǒng)功能和節(jié)省改造成本的問題，通過分析立式數(shù)控車床系統(tǒng)硬件配置，提出用數(shù)控系統(tǒng)跟隨軸控制來改造雙層刀架。采用NC和PLC相結(jié)合的方法控制換刀，設(shè)計(jì)了換刀子程序和換刀PLC程序。對(duì)刀架進(jìn)行調(diào)試，運(yùn)行結(jié)果表明：改造后該機(jī)床換刀可靠、精度高、故障率低，達(dá)到了伺服刀架的控制要求，并且充分地利用了數(shù)控系統(tǒng)資源，減少硬件配置，節(jié)省了改造成本。
關(guān)鍵詞：雙層刀架；跟隨軸；分度控制
數(shù)控系統(tǒng)的跟隨軸是不需要伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等硬件設(shè)施，但可編程控制坐標(biāo)，可以在顯示器上顯示其位置的虛擬伺服軸，在數(shù)控機(jī)床上有些控制場(chǎng)所可代替伺服軸，并能和伺服軸達(dá)到同樣的控制效果，而且跟隨軸控制減少了硬件配置，節(jié)約成本。
作者單位有一臺(tái)20世紀(jì)90年代從美國(guó)進(jìn)口的Tv．44數(shù)控立式車床，由x、z兩進(jìn)給軸和主軸組成，配有伺服驅(qū)動(dòng)的雙層塔式刀架。刀架的夾緊和松開由液壓驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。由于使用年限較長(zhǎng)和電氣元件老化，電氣故障率高，機(jī)床不能正常工作。該機(jī)床的剛性和機(jī)械精度較好，出于投入成本的考慮，對(duì)機(jī)床進(jìn)行電氣化改造，數(shù)控系統(tǒng)選用西門子840D系統(tǒng)?，配1個(gè)主軸伺服驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)雙軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)器，如果刀架控制還采用伺服控制，必須要增加1個(gè)單軸的伺服放大器和1個(gè)伺服電機(jī)，勢(shì)必增加了改造成本。如果用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)，把刀架設(shè)為數(shù)控系統(tǒng)的跟隨軸，不僅能達(dá)到伺服刀架的控制要求還減少伺服硬件，節(jié)約了機(jī)床改造成本。文中通過實(shí)例介紹數(shù)控系統(tǒng)跟隨軸在數(shù)控立式車床7rv—44雙層刀架改造上的應(yīng)用。
1、改造后機(jī)床的配置及換刀分析
改造后的rIv．44數(shù)控立式車床配備西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，x軸全閉環(huán)控制。x軸伺服電機(jī)編碼器和線性光柵尺分別接到611D驅(qū)動(dòng)器的X411接口和X421接I：1上，Z軸半閉環(huán)控制，Z軸伺服電機(jī)編碼器接到驅(qū)動(dòng)器的X412接口上【2]。如圖1所示。原伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙層塔式刀架改成油液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)．上層刀架6把刀具，刀具的分度角度為600，下層刀架8把刀具，刀具的分度角度為450，上下兩層的第一把刀具在同一個(gè)位置，如圖2所示。刀架的松開和夾緊由夾緊液壓缸實(shí)現(xiàn)．改造前伺服電機(jī)正反兩個(gè)方向驅(qū)動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位，實(shí)現(xiàn)就近換刀，刀架的粗定位由伺服電機(jī)的脈沖編碼器來實(shí)現(xiàn)，精準(zhǔn)定位是依靠刀架內(nèi)部端面齒盤的鼠牙齒，當(dāng)兩端面齒完全嚙合時(shí)，刀架鎖緊檢測(cè)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，完成換刀。原伺服刀架通過設(shè)置合理的加減速時(shí)間，使刀架快速旋轉(zhuǎn)找刀，達(dá)到目標(biāo)刀位前減速。實(shí)現(xiàn)了刀架的準(zhǔn)確定位。原伺服電機(jī)的脈沖編碼器是絕對(duì)式的，能記住斷電前當(dāng)前刀位的位置，開機(jī)換刀不會(huì)發(fā)生亂刀現(xiàn)象HJ。
圖1 611D驅(qū)動(dòng)器接口
圖2雙層刀架刀具分布不意圖
2、液壓驅(qū)動(dòng)雙層刀塔控制分析
把液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的雙層刀塔作為系統(tǒng)的跟隨軸來控制要解決以下3個(gè)問題：’(1)雙層刀架刀位號(hào)檢測(cè)的問題；(2)怎么實(shí)現(xiàn)刀架快速旋轉(zhuǎn)找刀，慢速定位；(3)怎么記憶斷電前的當(dāng)前刀位號(hào)。
雙層刀架上下兩層刀具的分度數(shù)不相同，所以刀位號(hào)的檢測(cè)不能象其他刀架用絕對(duì)編碼器來實(shí)現(xiàn)。刀塔上的每把刀位都有一個(gè)固定的角度，每層1號(hào)刀位的角度為0。用T，表示刀架上層刀位號(hào)，那么其對(duì)應(yīng)的角度為(x一1)x60。，X的取值范圍是1～6。用T，，表示下層刀位號(hào)，其對(duì)應(yīng)的角度為(y一1)x45。，y的取值范圍是1。8。例如，T。表示刀架上層的4號(hào)刀位，在刀架軸180。的位置，T。。表示刀下層的6號(hào)刀位，在刀架軸2250的位置，其余刀位在刀架軸上的位置依此類推，因此刀架刀位的檢測(cè)可以用外置的增量式脈沖編碼器來實(shí)現(xiàn)。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)，通過控制液壓馬達(dá)的流量可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)快速旋轉(zhuǎn)找刀、慢速定位。840D系統(tǒng)有掉電保持型用戶變量，如變量"]。斷電后中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。把ZSFR刀架當(dāng)前刀位的位置存放在此類變量中，斷電開機(jī)后．再?gòu)淖兞恐凶x取數(shù)據(jù)來獲得當(dāng)前刀位的位置信息．從而解決了增量脈沖編碼器不能記憶斷電前的當(dāng)前刀位號(hào)。
3、刀架旋轉(zhuǎn)跟隨軸的設(shè)置
刀架的分度由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，要在屏幕上顯示刀位的分度角度，需把刀架設(shè)置成系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)跟隨軸?。雙層刀架外置的增量脈沖編碼器(1 024線／轉(zhuǎn))接到驅(qū)動(dòng)器的X442接口上，用來檢測(cè)刀位的分度角度．并且要設(shè)置如表1所示的參數(shù)。
表l B軸跟隨軸部分參數(shù)設(shè)置
通過以上設(shè)置后，在顯示器上會(huì)顯示出B軸(刀架)的位置坐標(biāo)，刀架旋轉(zhuǎn)分度時(shí)，B軸(刀架)的位置坐標(biāo)隨著改變，可以清楚地知道刀架當(dāng)前的位置坐標(biāo)。
4、換刀子程序的設(shè)計(jì)
TOOL程序流程圖如圖3所示。
圖3 TOOL程序流程圖如圖
把刀架設(shè)成旋轉(zhuǎn)跟隨軸[6]。換刀控制就是對(duì)曰軸分度。采用NC和PLC相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)換刀控制。B軸的分度方向、減速定位寬度和到位判斷等需要計(jì)算控制的由840D的NC來完成，并把判斷結(jié)果通過H功能傳給PLC，PLC根據(jù)NC的判斷結(jié)果使刀架執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作來進(jìn)行換刀【7】。設(shè)計(jì)了換刀子程序TOOL，用T指令調(diào)用子程序TOOL，其流程圖如圖3所示。變量一ZSFR[0]保存當(dāng)前刀位的位置值；變量R12通過讀取_ZSFR[0]來獲取當(dāng)前刀位的位置；變量R15存放目標(biāo)刀號(hào)的位置值，根據(jù)當(dāng)前刀位的位置值和目標(biāo)刀位的位置值計(jì)算出日軸的旋轉(zhuǎn)方向．通過H1傳給PLC來快速旋轉(zhuǎn)找刀：用系統(tǒng)變量$AA—MM[B]讀取B軸的當(dāng)前位置值，當(dāng)達(dá)到減速定位寬度(一般離目標(biāo)刀號(hào)位置±5。范圍內(nèi))通過H2把減速信號(hào)傳給PLC來慢速旋轉(zhuǎn)定位，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)刀位時(shí)。通過H3把到位信號(hào)傳給PLC來停止馬達(dá)旋轉(zhuǎn)；刀架落下并鎖緊后，更新一ZSFR[0]變量中的數(shù)值，保證和當(dāng)前刀位的位置一致。
5、刀架的調(diào)試
5．1 刀架定位的調(diào)試
用流量控制液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度．液壓馬達(dá)快速旋轉(zhuǎn)找刀和慢速旋轉(zhuǎn)定位用調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn)，刀架的液壓控制原理如圖4所示。快速旋轉(zhuǎn)找刀時(shí)，調(diào)速閥被旁路不起作用；當(dāng)慢速定位時(shí)，電磁鐵YA3(正向找刀慢速定位)或電磁鐵YA4得電(反向找刀慢速定位)把調(diào)速閥接入液壓回路中。調(diào)節(jié)好調(diào)速閥使刀架在定位時(shí)無爬行和過沖現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)【7]。減速的位置要適當(dāng)，離目標(biāo)位置太遠(yuǎn)，換刀時(shí)間長(zhǎng)，離目標(biāo)位置太近，容易過沖，根據(jù)定位速度調(diào)節(jié)減速定位寬度，使得刀架換刀快、定位準(zhǔn)。
圖4刀架的液壓控制原理圖
5．2回參考點(diǎn)的調(diào)試
用掉電保持型用戶變量保存當(dāng)前刀位的位置值，斷電開機(jī)后通過讀取變量就能獲得當(dāng)前刀位位置信息，但首次開機(jī)當(dāng)前刀位位置值顯示的是個(gè)隨機(jī)數(shù)，需要回參考點(diǎn)建立正確的位置關(guān)系。日軸(刀架)的參考點(diǎn)設(shè)置在1號(hào)刀位上，回參考點(diǎn)后，當(dāng)前的刀位號(hào)是1號(hào)，角度是0，把當(dāng)前刀位位置值寫入變量_ZSFR[0]中，每次換刀后刷新變量一ZSFR[0]，使得變量_ZSFR[0]中的值和當(dāng)前刀位位置值一致，以后開機(jī)不需要回參考點(diǎn)了。
日軸(刀架)采用調(diào)整很方便的磁開關(guān)法回參考點(diǎn)，在刀架軸l號(hào)刀位上裝一金屬塊，在刀座上安裝一個(gè)接近開關(guān)。在參考點(diǎn)模式下，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到1號(hào)刀位時(shí)，接近開關(guān)發(fā)出一轉(zhuǎn)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)接到z軸驅(qū)動(dòng)X432接口上(BERO信號(hào)接口)；當(dāng)系統(tǒng)接收到BERO信號(hào)后．液壓馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)。B軸回參考點(diǎn)已經(jīng)完成，在顯示器上B軸左邊顯示參考點(diǎn)標(biāo)記，位置坐標(biāo)顯示為0。調(diào)試中要調(diào)整好接近開關(guān)和金屬塊的相對(duì)位置．使得在發(fā)出BERO信號(hào)位置上刀架能落下鎖緊[8]。B軸回參考點(diǎn)需要設(shè)置如表2所示的參數(shù)。
表2 B軸回參考點(diǎn)的部分參數(shù)
5．3換刀PLC程序的調(diào)試
換刀PLC程序根據(jù)NC傳送來的H功能信號(hào)．控制刀架的松開、鎖緊，液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)及減速等，換刀PLC外圍接口控制電路如圖5所示，控制流程圖如圖6所示。840D系統(tǒng)的H1、H2、H3功能在PLC中相應(yīng)的接口數(shù)據(jù)塊分別為DB21．DBWl40，DB21．DBWl4．146和DB21．DBWl4．152。當(dāng)有T，，換刀指令時(shí)，數(shù)據(jù)塊DB21．DBX60．1(刀具功能發(fā)生變化)置l；當(dāng)需要換刀時(shí)，首先鎖緊電磁鐵YA5失電，刀架松開，然后根據(jù)DB21．DBWl40中的值驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)正向(或反轉(zhuǎn))快速旋轉(zhuǎn)找刀，到達(dá)減速寬度范圍內(nèi)，DB21．DBWl4．146為1，正向找刀時(shí)YA3得電(或反向找刀時(shí)YA4電磁鐵得電)，經(jīng)過調(diào)速閥調(diào)速刀架慢速旋轉(zhuǎn)定位。到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)．DB21．DBWl4．152為1，YAl、YA2、YA3、YA4斷電馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)，YA5電磁鐵得電，鎖緊液壓缸動(dòng)作，刀架落下鎖緊，鎖緊到位后接近開關(guān)SQl發(fā)出信號(hào)，換刀完成。
圖5 PLC外圍接口及控制電路
圖6換刀PLC程序流程圖
6、結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過上述調(diào)試后．雙層刀架能正反轉(zhuǎn)高速找刀和慢速定位，實(shí)現(xiàn)了換刀。改造后該機(jī)床每天工作時(shí)間在18 h以上，機(jī)床換刀快、可靠，定位精度高，故障率低。使用效果好，達(dá)到了伺服刀架控制的要求。采用NC和PLC相結(jié)合的方法控制換刀，簡(jiǎn)化了PLC程序，調(diào)試方便。把跟隨軸應(yīng)用在刀架控制上，充分利用了數(shù)控系統(tǒng)的功能，節(jié)省了系統(tǒng)硬件配置資源，提高了數(shù)控系統(tǒng)的性價(jià)比，降低了改造成本。此研究思路對(duì)從事相關(guān)工作的技術(shù)人員有著實(shí)際的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值[9]。
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