定位模塊在龍門刨床進(jìn)給控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

王建莽

（恒天重工股份有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

龍門刨床是恒天重工股份有限公司主要的加工設(shè)備，有十幾臺(tái)。在早期的大修改造時(shí)，只是將發(fā)電機(jī)組控制改造為數(shù)字化的直流調(diào)速裝置及 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制。但在實(shí)際使用過(guò)程中，進(jìn)刀機(jī)構(gòu)仍然采用傳統(tǒng)的超越離合器方式來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀量的控制，不能解決機(jī)械沖擊大、脹緊環(huán)打滑、故障多、進(jìn)刀不勻等問(wèn)題。

針對(duì)刨床在加工過(guò)程中出現(xiàn)的這些問(wèn)題，采用新型進(jìn)刀控制方式對(duì)龍門刨床的進(jìn)刀控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，解決了原設(shè)備普遍存在的進(jìn)刀控制問(wèn)題，并取得了較好效果。

1 整體改造方案（以B2016A為例）

1.1 改造前的情況

B2016A龍門刨床有3個(gè)結(jié)構(gòu)完全相似的進(jìn)刀箱，由3臺(tái)1.7 kW鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)控制著左右2個(gè)垂直刀架和左右2個(gè)側(cè)刀架，實(shí)現(xiàn)刀架左右、上下運(yùn)動(dòng)（快速和間歇進(jìn)給），其工作過(guò)程采用超越離合器的辦法，有“快速”、“空”和“自動(dòng)”3個(gè)擋，刀架及方向選擇也由機(jī)械把手換擋來(lái)實(shí)現(xiàn)：“快速”擋用于開車前調(diào)整刀架的位置，“自動(dòng)”擋用于正常刨削，在工作臺(tái)前進(jìn)換后退時(shí)作走刀準(zhǔn)備，在工作臺(tái)后退換前進(jìn)時(shí)刀架移動(dòng)，移動(dòng)的距離由調(diào)整超越離合器的行程確定、在刻度盤上設(shè)定。由于該機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，使用一段時(shí)間后經(jīng)常出現(xiàn)不走刀或走刀距離不勻的情況，影響加工質(zhì)量。

1.2 改造方案

（1）在原控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝觸摸屏、定位模塊、交流伺服驅(qū)動(dòng)器。

（2）拆除原機(jī)床的進(jìn)刀箱，在安裝原進(jìn)刀箱的端面安裝減速機(jī)及伺服電機(jī)，減速機(jī)減速比i=1∶3，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=2000 r/min，絲杠螺距t=6 mm。刀架進(jìn)給控制系統(tǒng)如圖1所示。

（3）刀架進(jìn)刀量在觸摸屏上設(shè)定，通過(guò)PLC及定位模塊的自動(dòng)控制使刀架移動(dòng)的距離達(dá)到設(shè)定值。

2 進(jìn)刀量的準(zhǔn)確控制原理

為了使刀架的每次進(jìn)刀量控制準(zhǔn)確，采用定位模塊和伺服驅(qū)動(dòng)完成進(jìn)刀控制，必須正確地設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的控制模式、電子齒輪比和定位模塊的脈沖率及進(jìn)給率。

圖1 左垂直刀架進(jìn)給控制系統(tǒng)

2.1 電子齒輪比的計(jì)算

在某一特定轉(zhuǎn)速下，伺服電機(jī)的命令脈沖頻率與反饋脈沖頻率相等，即 f0×（MX/CDV）=Pf×（N0/60）。其中，N0為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；Pf為電機(jī)編碼器分辨率；f0為定位單元最高頻率；CMX/CDV為電子齒輪比。假設(shè)N0=2000 r/min，Pf為1 048 576 pls/rev，f0為 200 kHz，則電子齒輪比 CMX/CDV=Pf×（N0/60）×（1/f0）=1 048 576×（2000/60）×（1/200 000）=1 048 576/6000。

因此，如果選用松下A5Ⅱ驅(qū)動(dòng)器作為伺服驅(qū)動(dòng)，則在驅(qū)動(dòng)裝置中設(shè)定參數(shù)Pr0.09=1 048 576（CMX），Pr0.10=6000；Pr0.01=0位控模式；同時(shí)根據(jù)機(jī)械剛性優(yōu)化驅(qū)動(dòng)位置環(huán)增益、加減速時(shí)間常數(shù)等參數(shù)。如果選擇單位為機(jī)械體系，定位模塊的參數(shù)0=0，即以“mm”為計(jì)量單位；最小命令單位參數(shù)3=2，即10的-2次方，以0.01 mm為單位。參數(shù)11=1脈沖輸出類型。

2.2 脈沖率和進(jìn)給率的確定

脈沖率是指伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖量，進(jìn)給率是指伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)一周刀架的運(yùn)動(dòng)量。

脈沖率（參數(shù)1）=Pf×1/（CMX/CDV）=1 048 576×1/（1 048 576/6000）=6000 pls/rev。

進(jìn)給率 （參數(shù) 2）=i×t×1/旋轉(zhuǎn)周數(shù)=1/3×6×1=2 mm/rev=2000 μm/rev。

通過(guò)對(duì)上述參數(shù)的確定，在觸摸屏上設(shè)置的數(shù)據(jù)就是每次進(jìn)刀的進(jìn)刀量，精度可達(dá)到0.01 mm。

3 改造方案的實(shí)施

3.1 刀架自動(dòng)控制系統(tǒng)

在實(shí)際工程中，選用觸摸屏為西門子S700，PLC為三菱FX2N-80RM，定位模塊為三菱FX2N-20GM，伺服驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)為松下A5Ⅱ系列。刀架定位模塊與驅(qū)動(dòng)器的連接如圖2所示。

圖2 刀架定位模塊與驅(qū)動(dòng)器的連接

刀架的移動(dòng)有2種方式，即手動(dòng)快速移動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)刀。當(dāng)需要刀架快速移動(dòng)時(shí)，在觸摸屏上先選擇刀架的移動(dòng)方向（電機(jī)速度設(shè)為固定值），然后在懸掛面板上按下對(duì)應(yīng)刀架的快速移動(dòng)按鈕。當(dāng)需要刀架自動(dòng)移動(dòng)時(shí)，在觸摸屏上先設(shè)定進(jìn)刀量，進(jìn)刀量設(shè)定的數(shù)值為正整數(shù)，單位是0.01 mm，再選擇移動(dòng)方向，然后按下需要移動(dòng)刀架的使能按鈕。當(dāng)工作臺(tái)工作在自動(dòng)狀態(tài)且工作臺(tái)由后退換前進(jìn)時(shí)，觸發(fā)定位模塊的開始命令，定位模塊向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)直至定位結(jié)束完成一次進(jìn)刀。保存進(jìn)刀量的數(shù)據(jù)寄存器（D512-D518）是帶有斷電保持的寄存器，只要不重新設(shè)定新的進(jìn)刀量，數(shù)值不會(huì)改變。M1～M8是觸摸屏上的按鈕（變量）對(duì)應(yīng)的可編程控制器FX2N-80RM內(nèi)的輔助繼電器地址。觸摸屏刀架進(jìn)給操作界面如圖3所示。

3.2 伺服電機(jī)的選擇

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)絲杠、螺母及刀架運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)床的水平、垂直方向的進(jìn)給刀架和絲杠慣性的一致性，齒輪采用一級(jí)減速，其傳動(dòng)比相同定為 i=1∶3。

根據(jù)選定改造的刨床已知條件和要求可知：

刀架重量W≈300 kg≈3000 N；刀架與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)μ=0.6；工作負(fù)載（刀架移動(dòng)時(shí)沒(méi)有吃刀）F=0;絲杠螺距t=6 mm；刀架往復(fù)定位精度±0.01 mm；傳動(dòng)效率η=50%。換算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

TL={[（F+μ×W）]/2πη}×t/i={[(0+0.6×3000)]/2×3.14×0.5}×6/3≈1146 N·mm=1.146 N·m。

考慮到電機(jī)的矩頻特性及慣性負(fù)載影響，查詢松下A5Ⅱ系列選型手冊(cè)，選擇中慣量電機(jī)DMDE152GC 1.5KW，驅(qū)動(dòng)器MDDKT5540即可滿足機(jī)床要求。

3.3 PLC程序的編制

通過(guò)定位模塊內(nèi)部的緩沖存儲(chǔ)器（BFM#XX）來(lái)使用可編程控制器的TO/FROM指令，就可以與可編程控制器進(jìn)行通信。

從可編程控制器發(fā)出各種操作命令，緩沖存儲(chǔ)器號(hào)BFM#20（X軸）、BFM#21（Y軸，雙軸定位模塊）。PLC對(duì)定位模塊控制的程序格式如圖4、圖5所示。

控制程序分為2部分：一是定位模塊程序，二是PLC程序。先把編制好的定位模塊程序傳入定位模塊，定位模塊X軸程序如圖6所示，再把PLC程序傳入可編程控制器。

圖7是實(shí)際工程中的程序?qū)嵗Ｔ赑LC程序中K9200—K9260對(duì)應(yīng)定位模塊內(nèi)的緩沖存儲(chǔ)器BFM#9200—BFM#9260，每個(gè)緩沖存儲(chǔ)器（32位）被定義為相應(yīng)的參數(shù)號(hào)?？梢栽赑LC程序中直接對(duì)定位模塊的X軸各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)進(jìn)刀量在觸摸屏上設(shè)定完成后自動(dòng)傳送至D0寄存器（32位，D512→D0，D513→D1），再經(jīng)過(guò)DTO命令寫入定位模塊的緩沖存儲(chǔ)器BFM#100 101；電機(jī)速度設(shè)置與進(jìn)刀量設(shè)置一樣。當(dāng)?shù)都芸焖僖苿?dòng)時(shí)，提前選擇移動(dòng)方向，按下快速按鈕（X14），M105或M106動(dòng)作，此時(shí)電機(jī)以參數(shù)5設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)都茏詣?dòng)進(jìn)給時(shí)，方向選擇、刀架使能、驅(qū)動(dòng)器使能、工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)具備條件后，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由后退方向轉(zhuǎn)換為前進(jìn)方向時(shí)觸發(fā)定位開始命令（M101），電機(jī)旋轉(zhuǎn)直至本次定位結(jié)束。

圖3 觸摸屏刀架進(jìn)給操作界面

圖4 緩沖存儲(chǔ)器號(hào)BFM#20（X軸）分配的操作數(shù)

圖5 PLC對(duì)定位模塊控制的程序格式

圖6 定位模塊X軸程序

圖7 B2016A刨床左垂刀架移動(dòng)部分PLC程序

4 結(jié)論

B2016A刨床經(jīng)過(guò)上述進(jìn)給系統(tǒng)改造后擴(kuò)大了進(jìn)刀范圍，最小進(jìn)刀量減小到0.01 mm，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)刀過(guò)程的數(shù)字化，進(jìn)刀量穩(wěn)定可靠，加工精度明顯提高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量和較高的生產(chǎn)效率。該方案替換了原機(jī)械進(jìn)刀機(jī)構(gòu)，提高了進(jìn)刀精度和可操作性，可以廣泛應(yīng)用于其他類似機(jī)床的進(jìn)給控制系統(tǒng)。