數(shù)控平旋盤自動更換軟件的開發(fā)與應(yīng)用

徐秀玲 王紅亮 白 斌

(①沈陽工程學(xué)院機(jī)械系，遼寧 沈陽110136;②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽110819;③中捷機(jī)床有限公司，遼寧 沈陽110143)

平旋盤作為一種重要的功能部件，廣泛應(yīng)用于能源、交通、重型等機(jī)械行業(yè)，是加工箱體類工件的關(guān)鍵設(shè)備。銑鏜類機(jī)床配備附件平旋盤后，可以實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合功能，增加鏜削大直徑孔、平面，車削外圓、端面、切槽等功能，一次可完成銑、鏜、車等多工序加工，擴(kuò)大機(jī)床加工工藝范圍，大大提高加工效率［1］。

1 平旋盤

圖1 所示為可卸式電動數(shù)控平旋盤［2］的結(jié)構(gòu)，底座通過鎖緊油缸固定在滑枕上，由主軸帶動平旋盤回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)主運(yùn)動?；瑝K是一個獨(dú)立的數(shù)控軸，由獨(dú)立的伺服電動機(jī)和驅(qū)動裝置控制實(shí)現(xiàn)徑向移動。通過數(shù)控信號的控制，可實(shí)現(xiàn)W軸(滑枕或主軸箱移動)與U軸(滑板徑向運(yùn)動)的聯(lián)動，從而可以加工復(fù)雜的型面。數(shù)控平旋盤的傳動比有兩種類型:

(1)主軸與平旋盤的傳動比為1∶1，此時平旋盤的位置與主軸位置是同步的，可以在數(shù)控機(jī)床上通過NC與PLC 的協(xié)作一鍵啟動，實(shí)現(xiàn)安全可靠地自動更換。

(2)主軸與平旋盤的傳動比非1∶1，典型傳動比為13∶38，此時主軸與平旋盤位置是不同步的，數(shù)控系統(tǒng)無法確定平旋盤相對于主軸的旋轉(zhuǎn)位置。因此，平旋盤只能進(jìn)行手動更換，為保證操作的安全性，不僅需要人工使用百分表或千分表找正平旋盤0°位置，而且還要采用數(shù)控系統(tǒng)手動功能旋轉(zhuǎn)平旋盤1 至13 圈才能最終找到需要的位置(主軸0°)。這種人工手動控制方式，需要多人配合，耗時長，勞動強(qiáng)度大，效率低，極容易出錯［3］。

本文針對數(shù)控平旋盤非1∶1傳動手動更換弊端，從平旋盤的結(jié)構(gòu)和更換要求入手，以Simens840D 數(shù)控系統(tǒng)為例，深入分析數(shù)控系統(tǒng)對機(jī)床軸的控制過程，提出采用第二傳動比解決平旋盤速度同步問題。提出采用無實(shí)際驅(qū)動器控制的模擬軸，實(shí)現(xiàn)平旋盤實(shí)際位置的保持記憶，解決平旋盤自動交換的關(guān)鍵技術(shù)。通過編制NC 宏程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)控平旋盤的一鍵自動更換的開發(fā)。

2 自動更換控制原理

2.1 編程同步

工件加工程序編制通常以主軸轉(zhuǎn)速為依據(jù)，安裝平旋盤以后，由于13∶38 傳動比的存在，刀具的轉(zhuǎn)速將發(fā)生改變。此時，數(shù)控系統(tǒng)通過電動機(jī)側(cè)編碼器可以對主軸速度進(jìn)行半閉環(huán)控制，卻無法實(shí)現(xiàn)對平旋盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使得主軸轉(zhuǎn)速與平旋盤的轉(zhuǎn)速不同步。

解決編程同步的問題，可以在編制工件加工程序中考慮平旋盤的傳動比，這樣不僅會增加編程工作量，使得程序更加繁瑣，且不具有通用性。因此，文中提出采用第二傳動比解決平旋盤速度同步問題。圖2 所示為平旋盤的控制框圖，電動機(jī)通過主軸傳動機(jī)構(gòu)帶動主軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動平旋盤實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動。將平旋盤傳動比附加到第一傳動比或設(shè)置在第二傳動比中實(shí)現(xiàn)速度同步問題，由于第一傳動比為系統(tǒng)復(fù)位生效，復(fù)位后還需要機(jī)床各坐標(biāo)軸重新回參考點(diǎn)，操作繁瑣且增加了輔助時間。而第二傳動比［4］可以通過編程指令更改即可生效，所以將第二傳動比設(shè)置為主軸/平旋盤傳動比，使平旋盤傳動比參與到速度控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)主軸編程轉(zhuǎn)速與平旋盤實(shí)際轉(zhuǎn)速相同。

2.2 平旋盤位置實(shí)時記憶

編程同步可以實(shí)現(xiàn)速度同步，但無法實(shí)現(xiàn)位置同步。對于平旋盤，主軸側(cè)編碼器可以實(shí)現(xiàn)間接位置反饋，由于該編碼器為增量型，不具有位置保持記憶的功能，當(dāng)系統(tǒng)重新啟動或主軸重新回參考點(diǎn)后，如表1 所示，如當(dāng)主軸位于0°位置時，對應(yīng)平旋盤0°、120°、240°這3 個角度位置，此時，系統(tǒng)識別角度與平旋盤實(shí)際角度不一致，不能實(shí)現(xiàn)平旋盤顯示位置與實(shí)際位置同步，無法滿足自動更換的要求。

表1 主軸位置與平旋盤位置同步性 (單位:°)

為有效解決這一問題，提出采用無實(shí)際驅(qū)動器控制的模擬軸，實(shí)現(xiàn)平旋盤實(shí)際位置的保持記憶，解決平旋盤自動交換的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)控制環(huán)配置結(jié)構(gòu)如圖3所示，通常系統(tǒng)控制的數(shù)控軸給定值類型為標(biāo)準(zhǔn)，具有實(shí)際的驅(qū)動器，與反饋裝置形成閉環(huán)控制。為了實(shí)現(xiàn)平旋盤實(shí)際位置的保持記憶，突破傳統(tǒng)的使用方法，在原有控制基礎(chǔ)上，采用無實(shí)際驅(qū)動器控制的平旋盤模擬軸解決其自動交換難題。采用平旋盤模擬軸，反饋元件為主軸側(cè)編碼器，通過第二傳動比及跟隨功能，實(shí)現(xiàn)平旋盤位置的實(shí)時反饋;其編碼器的參考模式采用絕對類型，實(shí)現(xiàn)平旋盤位置的保持記憶功能。通過編制宏程序使平旋盤定位到初始位置(主軸與平旋盤均在0°位置)，滿足平旋盤自動更換需求。

3 自動更換軟件開發(fā)及應(yīng)用

數(shù)控平旋盤自動更換需要NC、PLC 及操作者三方協(xié)作共同完成。為實(shí)現(xiàn)平旋盤快捷、方便的自動更換，將平旋盤裝載子程序及卸載子程序集成到附件頭自動交換程序中，當(dāng)主軸及平旋盤的實(shí)際參數(shù)與系統(tǒng)匹配后，只需執(zhí)行PXP_LOAD 指令、即可進(jìn)行平旋盤的自動安裝，執(zhí)行PXP_UNLOAD 指令進(jìn)行平旋盤自動卸載。

3.1 模擬軸的實(shí)現(xiàn)

無實(shí)際驅(qū)動器的平旋盤模擬軸，可保證機(jī)床任意情況下實(shí)時記錄平旋盤位置。以第10 軸作為平旋盤模擬軸Q 為例，匹配參數(shù)如下:

3.2 模擬軸跟隨功能

采用模擬軸，通常會產(chǎn)生系統(tǒng)給定值與反饋值不一致，從而導(dǎo)致系統(tǒng)報警，機(jī)床不能正常運(yùn)行。通過PLC 編制相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)模擬軸的跟隨功能，可以有效防止該現(xiàn)象的發(fā)生。具體程序如下:

3.3 平旋盤自動更換軟件開發(fā)

以速度同步和位置同步為基礎(chǔ)，通過一鍵自動裝、卸載平旋盤，實(shí)現(xiàn)平旋盤自動交換軟件的開發(fā)。以傳動比為13∶38 的平旋盤為例，平旋盤為10 軸，軸名為Q;主軸為11 軸，軸名為C。則自動交換程序格式簡述如下:

4 結(jié)語

平旋盤自動更換軟件的開發(fā)，適用于具有任意傳動比平旋盤，尤其對于非1∶1傳動比的平旋盤，能夠保證工件加工程序的通用性，避免二次編程的繁瑣。

平旋盤的控制變得相對簡單?？s短了NC、PLC換頭程序的調(diào)試周期，對于平旋盤的更換，只需在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝入兩個子程序，通過一鍵即可實(shí)現(xiàn)自動更換。

目前，該軟件已經(jīng)成功應(yīng)用simens840D 數(shù)控系統(tǒng)的大型落地銑鏜數(shù)控機(jī)床［5，6］上，取得良好的運(yùn)行效果，節(jié)約了輔助時間，提高了機(jī)床加工效率。

［1］劉志兵，孫志強(qiáng). 數(shù)控銑鏜床頭庫附件頭自動更換管理軟件開發(fā)設(shè)計(jì)［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2011(8):109 -113.

［2］孫志強(qiáng)，劉志兵，周翔. 設(shè)定值切換功能在數(shù)控銑鏜床平旋盤上的開發(fā)應(yīng)用［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2012(12):62 -65.

［3］徐敏，王永，羅宏. 基于提高主傳動系統(tǒng)快速響應(yīng)目標(biāo)的平旋盤方案優(yōu)化研究［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(5):126 -128.

［4］Information on http://www. cc222. com/article/849070. html［OL］

［5］沈陽機(jī)床有限公司. 產(chǎn)品檢驗(yàn)合格證［Z］.2005

［6］Siemens AG. Sinumerik 模具及模型制造［Z］. The Federal Republic Germany.2007.