數(shù)控系統(tǒng)雙主軸運動功能的設(shè)計與開發(fā)

摘 要：為適應(yīng)現(xiàn)代化的復(fù)合加工要求，數(shù)控系統(tǒng)需具備控制兩個主軸運動的功能。對華中數(shù)控8型系統(tǒng)進行第二主軸運動功能的設(shè)計與開發(fā)，總結(jié)了主軸的控制原理、硬件設(shè)備配置和機床電氣設(shè)計的方法、參數(shù)設(shè)置和PLC編程思路、機電聯(lián)調(diào)等內(nèi)容，最終實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)對雙主軸的控制。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；雙主軸；機床

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.016

在現(xiàn)代制造業(yè)背景下，具備車削、銑削、鉆孔的車銑復(fù)合數(shù)控機床，能夠?qū)崿F(xiàn)零件的一次裝夾、多工序加工，從而提高生產(chǎn)效率而被廣泛使用。因具備車削和銑削的兩個主軸運動功能，此數(shù)控機床對數(shù)控系統(tǒng)提出了雙主軸的功能要求，即在同一通道中具備兩個主軸都能和進給軸配合并完成加工運動。華中數(shù)控系統(tǒng)是國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，其8型系統(tǒng)因系統(tǒng)穩(wěn)定和開發(fā)性較好而被廣泛運用。在現(xiàn)有的華數(shù)818B-M數(shù)控銑系統(tǒng)原有的伺服主軸基礎(chǔ)上，新增第二模擬主軸，經(jīng)過升級改造后實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對車削和銑削雙主軸的控制功能。其設(shè)計和開發(fā)內(nèi)容包括主軸的控制原理分析、硬件設(shè)備配置、機床電氣設(shè)計、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制和機電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試。

1 整體方案設(shè)計

1.1 主軸的控制原理

數(shù)控系統(tǒng)重要的主運動由主軸部件完成，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)控制主軸方式不同，分為伺服主軸和模擬主軸。華數(shù)的伺服主軸由伺服驅(qū)動器（華數(shù)HSV-180US）來驅(qū)動控制主軸伺服電機實現(xiàn)主運動，伺服主軸配置具備主軸定向、C軸功能等，精度高造價高等特點。模擬主軸則由變頻器通過調(diào)頻來實現(xiàn)主軸電機的控制。對無特殊加工要求的數(shù)控機床來說，模擬主軸能實現(xiàn)基本的主軸運動功能，有較高的性能價值，因而被廣泛運用。

1.2 開發(fā)第二主軸的功能描述

基于以上伺服主軸和模擬主軸的控制原理不同，針對華數(shù)8型系統(tǒng)已配置的伺服主軸，設(shè)置為第一主軸。在此系統(tǒng)上開發(fā)第二主軸功能，同時新增變頻器、電機及IO模塊等硬件設(shè)備，運用軟硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對模擬主軸的控制功能。為避免第二模擬主軸和第一伺服主軸功能干涉，故第二主軸的手動啟、停、升擋和減擋功能分別運用818BM面板上的擴展鍵F1、F2、F3、F4實現(xiàn)。

2 第二主軸功能開發(fā)

2.1 硬件設(shè)備配置

新增的模擬主軸的主要硬件配置包括一臺主軸電機、主軸編碼器、變頻器、HIO-1041板。其中HIO-1041板作為D/A板，接受NC控制輸出模擬電壓來控制變頻器，從而控制成閉環(huán)回路。對于主軸電機正反轉(zhuǎn)的控制則通過HIO的HIO-1021N板輸出的Y組信號來控制主軸正反轉(zhuǎn)的電氣回路，而對應(yīng)正反轉(zhuǎn)的Y信號的接線則與外部繼電器的線圈相連，繼而通過線圈和觸點的關(guān)系控制變頻器，實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)。

2.2 機床電氣設(shè)計

為保障新增硬件正常工作，需設(shè)計機床電氣的主軸電路部分，以實現(xiàn)變頻器等主要硬件的正常配電。主軸電氣部分包括強電工作部分（380V）和弱電控制部分（24V）。變頻器的工作電壓為380V，同時輸送給主軸電機供電。弱電部分由變壓器和直流穩(wěn)壓電源將380V交流電轉(zhuǎn)換為24V電，實現(xiàn)變頻器和IO的通信控制。與新增主軸相關(guān)的主要電路部分設(shè)計，如圖1所示。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

完成主軸硬件配置后，數(shù)控系統(tǒng)須對第二主軸進行功能開發(fā)，其內(nèi)容包括了新增主軸有關(guān)參數(shù)的設(shè)置和新增主軸plc程序的設(shè)計。

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

（1）I/O設(shè)備分配：由于硬件配置時新增了一塊模擬量輸入/輸出模板即HIO-1041板，在設(shè)備接口參數(shù)中，數(shù)控系統(tǒng)會自動識別兩個I/O設(shè)備：第一個即是HIO-1041模擬量板，第二個為原有的總線I/O，設(shè)備號分別為9和10。需對這兩個I/O重新分配地址和組數(shù)。

（2）通道和軸號設(shè)置：原通道中已有一個主軸，現(xiàn)在通道中開啟第二主軸參數(shù)，需在此通道中激活新的邏輯軸作為第二主軸，繼而分配新邏輯軸號和設(shè)置主軸類型（見表1）。

（3）主軸速度設(shè)置：新增的模擬主軸可根據(jù)實際工作情況配置新的主軸擋位和速度參數(shù)（見表1）。

2.3.2 plc程序設(shè)計

PLC程序可實現(xiàn)機床用戶的各種功能，PLC程序也稱為梯形圖。本次PLC程序設(shè)計主要是對第二模擬主軸的相關(guān)功能進行控制。具體內(nèi)容為：利用面板按鍵F1和F2實現(xiàn)主軸的手動模式下的啟和停，同時自動模式下能實現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)和停止。面板按鍵F3和F4實現(xiàn)增速和減速功能。其編程思路總結(jié)為：

（1）確定plc與外圍設(shè)備NC和機床的信號類型和地址，包括X

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信號、Y信號、G信號、F信號等。

（2）將第二主軸功能編制成子程序，增新至原有梯圖中。運用常真信號開啟第二主軸的使能G230.7和G232.0。確定第二主軸主軸正轉(zhuǎn)信號為G2622.4，反轉(zhuǎn)信號為G2623.4。主軸運動功能可以在手動模式和自動模式下實現(xiàn)，故編程時應(yīng)考慮這兩種情況均能實現(xiàn)主軸運動功能。其中自動模式下，采用M53、M54和M55指令實現(xiàn)自動模式下的主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，故梯圖中需增加這兩個指令的M代碼響應(yīng)和應(yīng)答功能塊。

（3）運用SPDA功能塊實現(xiàn)主軸倍率DA轉(zhuǎn)換。通過F3和F4兩個按鍵實現(xiàn)手動主軸倍率的增速和減速。注意SPDA中的p參數(shù)值該對應(yīng)主軸速度參數(shù)，例如p62參數(shù)值為010362-010372中對應(yīng)的10個參數(shù)值，映射為第二主軸1擋的速度值。

（4）利用華數(shù)LADDER軟件編輯程序，通過在線監(jiān)測和調(diào)試程序，檢測梯圖中各類型信號和功能塊中的參數(shù)，是否與已有的第一主軸的梯圖發(fā)生干涉。調(diào)試無誤后，保存生效。

3 機電聯(lián)調(diào)

完成硬件配置、電氣連接、參數(shù)設(shè)置和PLC程序編制后，必須進行機電聯(lián)調(diào)測試，檢測是否能實現(xiàn)第二主軸的各功能的控制，方法如下：

（1）手動功能檢測：按下面板按鍵F1和F2后，主軸是否能實現(xiàn)啟動和停止；多次點擊按鍵F3或者F4，觀察系統(tǒng)現(xiàn)實主軸轉(zhuǎn)速S是否實現(xiàn)S值逐次增大或逐次減小。

（2）自動功能測試：在MDI或者自動模式下載入測試加工程序，如“M53 S1=1000”，觀察主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)并且轉(zhuǎn)速S達到1000；同理檢測自動反轉(zhuǎn)（M54）和自動停止功能（M55）。

（3）兩主軸干涉檢測 ：運用以上的方法，同時檢測第一主軸的正常功能是否受到影響，避免第二主軸的功能開發(fā)造成兩主軸的干涉問題。

4 總結(jié)

本文整體設(shè)計了開發(fā)第二主軸的功能開發(fā)，闡述了運用機床電氣設(shè)計、PMC編程、數(shù)控機床聯(lián)調(diào)等技術(shù)，最終實現(xiàn)了NC對雙主軸的控制功能的方法。對傳統(tǒng)的單主軸數(shù)控系統(tǒng)進行升級改造，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)雙主軸的功能開發(fā)，此升級改造方案對目前的復(fù)合化的數(shù)控機床升級改造有重要意義，其經(jīng)濟性和普適性對其他類型的數(shù)控系統(tǒng)主軸開發(fā)具有一定借鑒作用。

參考文獻：

[1]陳吉紅.華中數(shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試手冊[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

作者簡介：龔璇（1985-），女，湖北武漢人，講師，碩士研究生，從事數(shù)控技術(shù)專業(yè)教學(xué)和研究工作。