臺(tái)達(dá)數(shù)控系統(tǒng)的磨溝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

褚小磊，楊 明，劉建龍

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

孔加工是金屬切削加工中最重要的工序之一，用于鉆削的鉆頭的生產(chǎn)制造和加工顯得尤為重要。鉆頭螺旋槽一般采用專用設(shè)備——磨溝機(jī)進(jìn)行加工。臺(tái)達(dá)數(shù)控系統(tǒng)可作為直柄麻花鉆螺旋槽加工的磨溝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 總體方案

數(shù)控系統(tǒng)主要有步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)、異步電機(jī)或直流電機(jī)和光柵測量反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)、交／直流伺服電機(jī)以及編碼器反饋組成的半閉環(huán)控制系統(tǒng)3種控制方式［1］。

開環(huán)系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)功率放大和驅(qū)動(dòng)控制電路驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)精度只與步進(jìn)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有關(guān)，因而精度較低。

閉環(huán)系統(tǒng)采用光柵等高精度位置檢測裝置實(shí)時(shí)對(duì)位置信號(hào)反饋，具有很高的控制精度，但在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，成本很高，設(shè)計(jì)和調(diào)試比較煩瑣，一般使用在精密加工設(shè)備。

半閉環(huán)系統(tǒng)相比開環(huán)系統(tǒng)具有較好的精度，與閉環(huán)系統(tǒng)相比具有很高的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

因此，經(jīng)過以上方案對(duì)比和加工需求的分析，本系統(tǒng)選用半閉環(huán)的控制方式，即交流伺服電機(jī)和編碼器反饋，是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的系統(tǒng)構(gòu)成。

磨溝機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)是一種軌跡控制系統(tǒng)，從本質(zhì)上講，是以各運(yùn)動(dòng)軸的位移量為控制對(duì)象，使各運(yùn)動(dòng)軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磨溝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感檢測裝置和機(jī)床輔助裝置等部分組成。

a.數(shù)控系統(tǒng)包括臺(tái)達(dá)H4C-M系統(tǒng)；集成主板、按鍵和顯示屏幕，內(nèi)嵌式PLC。

b.伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器以及編碼器連接線纜。

c.主傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸電機(jī)、聯(lián)軸器和滾珠絲杠副。

d.傳感檢測裝置包括伺服電機(jī)的編碼器，X，Y，Z軸的機(jī)械原點(diǎn)接近開關(guān)；X，Y軸各自2個(gè)正負(fù)限位開關(guān)，自動(dòng)送料的推桿左右各1個(gè)接近開關(guān)，料盒前后各1個(gè)接近開關(guān)。

e.標(biāo)準(zhǔn)I／O接口板包括24個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)。

f.機(jī)床輔助裝置包括液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和夾緊裝置等。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 數(shù)控系統(tǒng)選擇

臺(tái)達(dá)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)控制、高速計(jì)算控制、高速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制，配合編碼器或光柵，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)或閉環(huán)控制，控制精度可達(dá)0.001mm。臺(tái)達(dá)數(shù)控系統(tǒng)提供高性能運(yùn)動(dòng)控制，豐富的人機(jī)界面功能、操作人性化、穩(wěn)定度高，滿足高速切削的需求，架構(gòu)上具有良好的彈性，方便安裝與提升維護(hù)。系統(tǒng)選用的型號(hào)是中達(dá)電通PUTNC系列。

2.2 伺服系統(tǒng)

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控系統(tǒng)給伺服系統(tǒng)發(fā)送指令，信號(hào)經(jīng)過放大轉(zhuǎn)換處理，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的工作臺(tái)或刀架運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋并與輸入指令相比較，直到與輸入指令之差為零［2］。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)原理

2.2.1 伺服系統(tǒng)選擇

伺服電機(jī)系統(tǒng)具有精度高，有光電型旋轉(zhuǎn)編碼器，力矩范圍大，比較平滑，閉環(huán)反饋的特點(diǎn)，系統(tǒng)中選用的是臺(tái)達(dá)公司研發(fā)的ASDA-B2系列交流伺服電機(jī)和配套的伺服驅(qū)動(dòng)器。臺(tái)達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置泛用功能應(yīng)用，減少機(jī)電整合的差異成本，簡化配線和操作設(shè)定，大幅提升了電動(dòng)機(jī)尺寸的對(duì)應(yīng)性和產(chǎn)品特性的匹配度，該系列支持17bit（160000ppr）高分辨率編碼器，能夠滿足機(jī)器設(shè)備的高精度定位控制及平穩(wěn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用需求。

在伺服電機(jī)的選擇上，由于各個(gè)軸不一樣，所以選擇了臺(tái)達(dá)ECMA系列的不同電機(jī)。各個(gè)軸需要考慮的不同情況：X軸電機(jī)主要承擔(dān)軸向進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，工作中只受到進(jìn)給過程中與磨削砂輪的切削力；垂直軸Y軸承重比較大，并且滾珠絲杠壓力角小不能自鎖，為了避免在Y軸停止運(yùn)動(dòng)情況下，發(fā)生工作臺(tái)下滑的現(xiàn)象；旋轉(zhuǎn)軸Z軸在X軸進(jìn)給的同時(shí)帶動(dòng)X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，工作中受到的磨削力比較大；砂輪修整A軸只負(fù)責(zé)砂輪的修形，因?yàn)樾拚勘容^小，所承受的負(fù)載也不大。

2.2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器控制方式

系統(tǒng)選用半閉環(huán)控制方式的基本構(gòu)成如圖3所示。

圖3 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)構(gòu)成

伺服驅(qū)動(dòng)器是CNC系統(tǒng)和伺服電機(jī)的連接橋梁，伺服驅(qū)動(dòng)器將CNC系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)放大為可驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)動(dòng)作的脈沖信號(hào)。伺服電機(jī)本身帶有旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將伺服電機(jī)的動(dòng)作速度及角位移量反饋經(jīng)過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳遞給CNC系統(tǒng)，然后系統(tǒng)對(duì)編碼器的傳遞值進(jìn)行相應(yīng)的處理。同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)器還具有保護(hù)伺服電機(jī)的功能［3］。

伺服驅(qū)動(dòng)器的控制主要分為位置控制、速度控制和扭矩控制3種控制方式。“位置”、“速度”、“扭矩”是伺服系統(tǒng)由外到內(nèi)的3個(gè)閉環(huán)控制方式［4］。

在速度控制方式下，CNC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置控制，伺服系統(tǒng)完成速度控制和扭矩控制，控制回路通過檢測編碼器的信號(hào)進(jìn)行負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)，然后通過D／A輸出。在系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)器電路將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度值，然后對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，并進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)裝置。速度控制很好得保證了速度的穩(wěn)定行，減小了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差，提高了系統(tǒng)定位精度［5］。

2.2.3 伺服驅(qū)動(dòng)器控制電路

HUST H4數(shù)控系統(tǒng)采用脈沖方式直接控制各軸相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，電機(jī)控制部分包括進(jìn)給軸X，Y，分度軸Z，砂輪修整軸A。X，Y，Z，A軸分別選用了臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)和配套的伺服驅(qū)動(dòng)器。其驅(qū)動(dòng)器外圍電路實(shí)際接線示意如圖4所示。

驅(qū)動(dòng)器外圍接線主要包括電源、斷路器、接觸器、I／O連接、伺服電機(jī)電源、編碼器接口和回生電阻組成。其中，外部電源包括主回路電源和控制回路電源，I／O連接負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控系統(tǒng)之間輸入輸出信號(hào)的傳遞，回聲電阻避免電機(jī)剎車所產(chǎn)生的回灌能量造成故障。伺服驅(qū)動(dòng)器的CN1接口一部分與數(shù)據(jù)集中器相連，另一部分送至數(shù)控系統(tǒng)接口；CN2接口接收伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器還可以通過相關(guān)軟件與PC機(jī)通信，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)定和電機(jī)特性的在線測試。

圖4 伺服系統(tǒng)外圍接線

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件編寫主要是在臺(tái)達(dá)內(nèi)嵌式PLC平臺(tái)上開發(fā)了工件自動(dòng)加工的程序，實(shí)現(xiàn)螺旋槽的自動(dòng)磨削。內(nèi)嵌式PLC是數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家根據(jù)機(jī)床功能規(guī)劃對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行的二次開發(fā)，其作用是用來控制機(jī)床接口和CNC接口信號(hào)的流程順序，進(jìn)而控制機(jī)床的動(dòng)作。

自動(dòng)加工工件的程序包括系統(tǒng)坐標(biāo)軸和變量的初始化、新砂輪修整、加工過程中數(shù)據(jù)計(jì)算、工件的傳送和加工過程中的砂輪修整［6］。整個(gè)自動(dòng)加工的流程如圖5所示。

首先是程序的初始化，程序的初始化是將系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)、進(jìn)給軸的坐標(biāo)值讀入，同時(shí)將加工過程中用到的內(nèi)部繼電器和計(jì)數(shù)器復(fù)位，在工件加工之前首先判斷是不是新砂輪，如果是新砂輪，磨新砂輪至指定位置，如果是砂輪用完了不能繼續(xù)加工要進(jìn)行相應(yīng)處理，正常加工之前要對(duì)砂輪進(jìn)行修整。修整完砂輪之后，計(jì)算加工數(shù)據(jù)，工件的螺旋溝的加工是系統(tǒng)采用三軸聯(lián)動(dòng)的工作方式來實(shí)現(xiàn)的。其中，X軸進(jìn)給控制麻花鉆的溝長，Y軸進(jìn)給位移量控制鉆頭的芯厚和增量，Z軸進(jìn)給位移量為系統(tǒng)計(jì)算出的工件在加工過程中需要旋轉(zhuǎn)的角度。計(jì)算得到加工數(shù)據(jù)之后進(jìn)行送料，加工等工序，加工完了再檢測砂輪是否要修整，不要修整就開始下一個(gè)工件的加工，否則修整砂輪。

圖5 數(shù)控加工流程

4 控制系統(tǒng)功能分析

針對(duì)磨溝機(jī)的加工特性，控制系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

a.系統(tǒng)操作規(guī)劃。操作界面主要包括開機(jī)畫面、原點(diǎn)模式、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式和報(bào)警畫面。

b.運(yùn)動(dòng)控制。磨溝機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要是由3個(gè)坐標(biāo)軸1個(gè)滾輪軸以及主軸配合完成的。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)分析處理加工程序得到的加工命令集和數(shù)據(jù)集，控制各運(yùn)動(dòng)軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成鉆頭加工。其中，X，Z軸聯(lián)動(dòng)合成螺旋運(yùn)動(dòng)，Y軸控制砂輪的磨削深度和修正量。運(yùn)動(dòng)控制還包括X，Y，Z3軸聯(lián)動(dòng)的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)以及其中任意兩軸的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制。

c.速度控制。在主仆模式下，一軸選定為主動(dòng)軸，其他軸為追隨軸。單節(jié)與單節(jié)之間的連接，主動(dòng)軸和追隨軸馬達(dá)速度不會(huì)歸零，而是維持在進(jìn)給率的速度。且在此模式下，馬達(dá)以“S”形加減速方式運(yùn)行。速度前瞻處理，即在加工方向突然改變前降低進(jìn)給速度，從而避免或減少對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的沖擊。

d.參數(shù)化界面。因鉆頭的尺寸不同，對(duì)應(yīng)芯厚和增量的參數(shù)值也會(huì)有差異。為提高系統(tǒng)的柔性，設(shè)計(jì)參數(shù)化界面。操作人員將對(duì)應(yīng)尺寸的加工參數(shù)輸入，即可完成該尺寸鉆頭的自動(dòng)加工，無需一種尺寸對(duì)應(yīng)一種程序，也省去更換機(jī)床部件減少工作量。

e.新砂輪功能。在加工過程中，更換新砂輪時(shí)，為了避免重復(fù)執(zhí)行指令修整新砂輪，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新砂輪功能，在第1次修整好砂輪后將參數(shù)坐標(biāo)設(shè)置在參數(shù)界面，隨后的新砂輪修整只需按下系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的功能鍵就能自動(dòng)完成新砂輪的修整，從而避免了設(shè)備的拆裝，節(jié)約了加工時(shí)間。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)數(shù)控系統(tǒng)，配套伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式控制機(jī)床三軸聯(lián)動(dòng)，將直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)分度運(yùn)動(dòng)結(jié)合完成了螺旋槽的加工。在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)嵌式PLC平臺(tái)上編寫了機(jī)床運(yùn)動(dòng)功能程序，開發(fā)了人機(jī)交互界面和數(shù)控加工程序，配合機(jī)床輔助裝置完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。磨溝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)已在車間投入20臺(tái)進(jìn)行加工生產(chǎn)，經(jīng)過半年時(shí)間的運(yùn)行，相比老式磨溝機(jī)，加工效率和合格率有了很大提升，勞動(dòng)強(qiáng)度明顯減少。

在實(shí)際加工過程中，車間的電源不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生干擾，因此，系統(tǒng)還須研究抗干擾的防護(hù)措施，將外界的干擾降到最低，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)還可向高精度、高速化和高性能的方向發(fā)展，使進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)高速化。并且具有較高的加減速度。另外，采用智能感知和控制技術(shù)，將作業(yè)規(guī)劃智能技術(shù)、智能化操作和加工工藝專家系統(tǒng)集成在數(shù)控系統(tǒng)中，促進(jìn)建模、加工、檢測和裝夾操作一體化。

［1］龔德明，李 松.半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)控制方法［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39（8）：42-43.

［2］機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［3］聶學(xué)俊，夏 雪，熊光潔，等.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)研究與仿真［J］.北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24（1）：19-22.

［4］鄧力凡.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題［J］.機(jī)械工程師，2010，（9）：98-101.

［5］羅永順.機(jī)床數(shù)控化改造實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［6］Jhnso D G.Programmable controllers for factory automation［M］.New york：Marcel Dekker Inc.，1987.