數(shù)控機(jī)床串行主軸功能實(shí)現(xiàn)方法研究

◎雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 三門峽 472000）

數(shù)控機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)由數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)數(shù)控車床而言主運(yùn)動(dòng)是指裝夾工件的卡盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)數(shù)控銑床而言是裝夾刀具主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，從主軸功能實(shí)現(xiàn)方面，一般要求主軸必須根據(jù)加工工藝滿足速度控制、自動(dòng)換刀時(shí)的主軸定向控制、加工螺紋時(shí)的主軸同步等[1]。以FANUC0iD 系統(tǒng)為例，數(shù)控機(jī)床主軸功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)硬件對(duì)主軸的控制信號(hào)接口分兩種：一種是按串行數(shù)字方式傳送數(shù)據(jù)的接口，通過該接口連接系統(tǒng)專用主軸驅(qū)動(dòng)器和專用伺服電機(jī)，即為串行主軸控制；另一種是按輸出模擬量電壓方式傳輸主軸速度指令的接口，通過該接口連接變頻器和普通三相電機(jī)，通常稱為模擬量主軸控制[2]。模擬量主軸控制主要實(shí)現(xiàn)主軸速度控制功能，通常適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床；而串行主軸可通過閉環(huán)矢量控制實(shí)現(xiàn)大范圍、精確調(diào)速和轉(zhuǎn)矩、位置控制[3]，所以在對(duì)機(jī)床主軸功能有較高要求的場合，該方式應(yīng)用較多。

1 FANUC 系統(tǒng)串行主軸控制方式

如圖1 至圖4 所示為常見的幾種串行主軸系統(tǒng)，在圖中主要展示了驅(qū)動(dòng)器與編碼器的連接方式。圖1、圖2 均采用主軸電機(jī)內(nèi)置Mi 型傳感器進(jìn)行速度檢測反饋，而圖3、圖4 均采用主軸電機(jī)內(nèi)置MZi 型傳感器進(jìn)行速度檢測反饋。由于Mi 型傳感器只能進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測和反饋，所以圖1 所示系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)速度控制；圖2所示系統(tǒng)是在圖1 所示系統(tǒng)上增加了接近開關(guān)，因此可實(shí)現(xiàn)主軸定向功能[4]。相比于Mi 型傳感器，MZi 型傳感器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與位置檢測[5]，因此圖3、圖4 所示系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)速度控制，而且增加了位置控制功能，為典型的位置控制系統(tǒng)。使用內(nèi)置MZi 型傳感器作為位置檢測元件時(shí)，通常要求主軸與電機(jī)采用直接連接或1:1 連接方式；而外置編碼器在使用時(shí)，采用與主軸1:1連接方式如圖4 所示。

圖1 速度控制系統(tǒng)圖

圖2 接近開關(guān)定向的控制系統(tǒng)圖

圖3 使用內(nèi)置編碼器的位置控制系統(tǒng)圖

圖4 使用外置編碼器的位置控制系統(tǒng)圖

2 串行主軸速度控制功能實(shí)現(xiàn)方法

2.1 主軸轉(zhuǎn)向控制程序設(shè)計(jì)

主軸速度控制功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，不僅需要編制PMC 程序?qū)崿F(xiàn)主軸的正、反轉(zhuǎn)及停止控制，還需編制主軸速度倍率控制程序。在編制梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)主軸轉(zhuǎn)向控制和速度控制前，應(yīng)先編制PMC 程序解除主軸停止信號(hào)、并且使串行主軸處于就緒狀態(tài)。如圖5 所示，F(xiàn)0001.7 為CNC 準(zhǔn)備就緒信號(hào)，G0070.7 為串行主軸就緒信號(hào)，G0029.6 為主軸停止信號(hào)，R9091.1 為數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部?！?”信號(hào)；其中，串行主軸就緒信號(hào)G0070.7、主軸停止信號(hào)G0029.6 必須為高電平“1”信號(hào)時(shí)，主軸才能處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，具備工作條件。通常，在數(shù)控系統(tǒng)上電、自檢無故障后，F(xiàn)0001.7 信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?”信號(hào)，可由該觸點(diǎn)接通G0070.7 保證主軸就緒；而R9091.1 為?！?”信號(hào)，該觸點(diǎn)可直接接通G0029.6，解除主軸停止?fàn)顟B(tài)[6]。

圖5 串行主軸停止解除及CNC 就緒控制梯形圖

在CNC 系統(tǒng)中，主軸轉(zhuǎn)速通過S 指令編程實(shí)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)向則通過M 指令編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行M 指令時(shí)，M 代碼信號(hào)以二進(jìn)制形式輸出到PMC 的寄存器F0010 中，因此必須編制PMC 程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)F0010 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼控制。如圖6 所示為利用譯碼指令DEC 實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)M03、反轉(zhuǎn)M04 及停止M05 指令的譯碼控制程序。F0007.0 為輔助功能選通信號(hào)，在CNC 系統(tǒng)執(zhí)行加工程序過程中，遇到M03、M04 及M05 指令時(shí)F0007.0 信號(hào)會(huì)選通，譯碼指令開設(shè)譯碼，譯碼后 R0010.3、R0010.4、R0010.5 線圈分別得電為高電平“1”信號(hào)，因此 R0010.3、R0010.4、R0010.5 分別對(duì)應(yīng) M03、M04 及 M05 指令信號(hào)。

圖6 主軸M 代碼譯碼控制梯形圖

在圖7 所示PMC 程序中，各信號(hào)含義如表1 所示；X0010.3、X0011.3、X0008.1 分別為數(shù)控機(jī)床操作面板上的主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)及主軸定向按鍵信號(hào)，程序中R0003.3、R0003.4、R0003.5則分別為對(duì)應(yīng)機(jī)床操作面板上主軸正轉(zhuǎn)按鍵、反轉(zhuǎn)按鍵、主軸定向信號(hào)。當(dāng)數(shù)控機(jī)床為JOG、HND工作方式時(shí)，R0001.1 信號(hào)為“1”信號(hào)；此時(shí)，若按下機(jī)床操作面板上的主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)或主軸定向按鍵，則 R0003.3、R0003.4 或 R0003.5 線圈接通并自鎖，作為手動(dòng)控制方式時(shí)主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或定向的中間狀態(tài)信號(hào)。為便于PMC 程序識(shí)讀，在表2 中列出了圖8 至圖10 所示PMC 程序中用到的主要PMC 信號(hào)及其含義。

圖7 主軸手動(dòng)按鍵控制信號(hào)編程圖

表1 PMC 程序中各信號(hào)含義表

表2 PMC 程序中各信號(hào)含義表

圖8 所示 PMC 程序中，R0010.5、R0016.5、R0016.4 分別對(duì)應(yīng)數(shù)控系統(tǒng) M05、M29、M19 指令信號(hào)，在數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行主軸停止指令M05 或剛性攻螺紋指令M29 時(shí)，由R0010.5 或R0016.5 接通中間變量信號(hào)R0023.2 一個(gè)程序掃描周期；系統(tǒng)執(zhí)行主軸定向指令M19 時(shí)，則由R0016.4 接通中間變量信號(hào)R0023.4 一個(gè)程序掃描周期。

圖8 主軸停止、定向控制信號(hào)編程圖

在圖 9 所示 PMC 程序中，R0023.0、R0023.1分別對(duì)應(yīng)自動(dòng)控制方式下執(zhí)行M03、M04 指令時(shí)主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)中間狀態(tài)信號(hào)；R0010.3 和R0010.4 分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)M03、反轉(zhuǎn)M04 指令信號(hào)，其常閉觸點(diǎn)信號(hào)構(gòu)成互鎖保護(hù)；若主軸正轉(zhuǎn)時(shí)，由R0010.3 觸點(diǎn)接通R0023.0 線圈并自鎖，主軸反轉(zhuǎn)時(shí)，由R0010.4 觸點(diǎn)接通R0023.1 線圈并自鎖。在主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中，若系統(tǒng)執(zhí)行主軸停止指令M05、剛性攻螺紋指令M29 或主軸定向指令M19 時(shí)，則中間變量信號(hào)R0023.2或R0023.4 接通，從而斷開主軸正轉(zhuǎn)線圈信號(hào)R0023.0 或反轉(zhuǎn)線圈信號(hào)R0023.1。

圖9 程序指令M03、M04 控制信號(hào)編程處理圖

在圖10 所示PMC 梯形圖程序中，中間變量信號(hào) R0001.1 為 JOG、HND 工作方式，R0001.2為 MDI、DNC、AUTO 工作方式；該程序原理如下：當(dāng)機(jī)床工作方式為JOG、HND 工作方式時(shí)，R0001.1 信號(hào)為“1”信號(hào)，該觸點(diǎn)接通；此時(shí)，若按下機(jī)床操作面板上的“正轉(zhuǎn)”按鍵，則R0003.3信號(hào)接通，進(jìn)而接通串行主軸正轉(zhuǎn)指令信號(hào)G0070.5；反之，按下機(jī)床操作面板上的“反轉(zhuǎn)”按鍵，則R0003.4 信號(hào)接通，進(jìn)而接通串行主軸反轉(zhuǎn)指令信號(hào)G0070.4。當(dāng)機(jī)床工作方式為MDI、DNC、AUTO 工作方式時(shí)，R0001.2 信號(hào)為“1”信號(hào)，該觸點(diǎn)接通；此時(shí)，若CNC 系統(tǒng)執(zhí)行程序指令M03，經(jīng)過譯碼指令譯碼，則R0010.3 信號(hào)為“1”信號(hào)，該觸點(diǎn)接通R0023.0 并自鎖，進(jìn)而由R0023.0 觸點(diǎn)接通串行主軸正轉(zhuǎn)指令信號(hào)G0070.5；若系統(tǒng)執(zhí)行程序指令M04，經(jīng)過譯碼指令譯碼，則R0010.4 信號(hào)為“1”信號(hào)，該觸點(diǎn)接通R0023.1 并自鎖，進(jìn)而由R0023.1 觸點(diǎn)接通串行主軸反轉(zhuǎn)指令信號(hào)G0070.4。上述程序中的G0070.4、G0070.5 常閉觸點(diǎn)信號(hào)，構(gòu)成主軸正、反轉(zhuǎn)互鎖控制保護(hù)。

圖10 主軸正、反轉(zhuǎn)控制梯形圖程序圖

2.2 主軸轉(zhuǎn)速控制PMC 程序編制

上述轉(zhuǎn)向控制程序只能完成主軸正、反轉(zhuǎn)及停止信號(hào)處理，而主軸速度控制功能的實(shí)現(xiàn)除了轉(zhuǎn)向信號(hào)還需要速度信號(hào)，為此還需編制速度信號(hào)處理程序。對(duì)于FANUC0iD 系統(tǒng)而言，主軸運(yùn)行速度值為加工程序中的速度指令S 代碼值乘以主軸倍率[7]。因此，在PMC 程序編制時(shí)，對(duì)于速度信號(hào)的處理只需編制主軸倍率程序即可。通常情況下，主軸倍率變換是利用機(jī)床操作面板上的主軸倍率開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，倍率值一般為50%至120%，共8 檔。如圖11 所示為主軸倍率處理程序，X0001.1、X0001.5、X0001.3 為倍率開關(guān)的硬件接線地址，它們分別接通R0213.0、R0213.1、R0213.2；在旋轉(zhuǎn)倍率開關(guān)時(shí)，R0213.0、R0213.1、R0213.2 信號(hào)可組合出8 種狀態(tài)作為主軸倍率數(shù)據(jù)表的表內(nèi)號(hào)地址使用。而主軸倍率值50%至120%均存放于數(shù)據(jù)表中，通過二進(jìn)制譯碼指令CODB 可將數(shù)據(jù)表內(nèi)的數(shù)值輸出到主軸倍率地址G0030.0，從而實(shí)現(xiàn)倍率信號(hào)處理。

圖11 主軸速度倍率PMC 控制程序圖

3 主軸定向功能的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 主軸定向功能實(shí)現(xiàn)時(shí)的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

對(duì)于FANUC0iD 系統(tǒng)而言，基于編碼器反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)主軸定向時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)3729#0 設(shè)定值情況，定向停止位置的設(shè)定方法有2 種：當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)3729#0 設(shè)定值為0 時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)定位參數(shù)4031 的設(shè)定值來確定定位位置；設(shè)定值為1 時(shí)，則根據(jù)PMC 信號(hào)來指定定位位置，該方法適用于有多個(gè)定位位置情況[8]。通常情況下，主軸定向位置只有1 個(gè)，則采用系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定定位位置的方法較為簡便，下面以此為例來說明主軸定向的實(shí)現(xiàn)過程。

串行主軸定向功能實(shí)現(xiàn)過程如下[9]：在執(zhí)行主軸定向功能時(shí)，首先由CNC 系統(tǒng)向串行主軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)送主軸定位指令，待串行主軸驅(qū)動(dòng)器接收到定位指令后，若主軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，則立即按4003#3、4003#2 參數(shù)設(shè)定值確定的定向旋轉(zhuǎn)方向減速到參數(shù)4038 設(shè)定的定向速度，并以此速度定位至參數(shù)4031 設(shè)定的定位位置；若主軸接收到定位指令時(shí)，主軸原本處于停止?fàn)顟B(tài)，則主軸立即按4003#3、4003#2 參數(shù)設(shè)定值確定的定向旋轉(zhuǎn)方向加速到參數(shù)4038 設(shè)定的定向速度，并以此速度定位至參數(shù)4031 設(shè)定的定位位置。主軸定向完成后，必須向PMC 發(fā)送定向完成信號(hào)，在PMC 收到定向完成信號(hào)后才可以執(zhí)行其他指令?；谥鬏S電機(jī)內(nèi)置編碼器實(shí)現(xiàn)串行主軸定向時(shí)，相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定如表3 所示。

表3 基于主軸電機(jī)內(nèi)置編碼器實(shí)現(xiàn)定向時(shí)參數(shù)設(shè)定表

串行主軸定向參數(shù)的設(shè)定是伴隨主軸調(diào)試過程進(jìn)行的，下面通過主軸定向位置的調(diào)試來說明。通常情況下，應(yīng)將參數(shù)3117#1 設(shè)定為1，以便使診斷參數(shù)445 內(nèi)的數(shù)值顯示出來。然后，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸至需要定位的位置，接著查看診斷參數(shù)445 內(nèi)的數(shù)值，最后將該數(shù)值填入?yún)?shù)4031。隨后，可在MDI 方式下運(yùn)行數(shù)控機(jī)床主軸，并執(zhí)行一次主軸定向M19 指令，再次查看診斷參數(shù)445 內(nèi)的數(shù)值，并將其填入4077 即可完成主軸定向位置的確定。

3.2 主軸定向功能實(shí)現(xiàn)的PMC 程序設(shè)計(jì)

如圖12 所示PMC 梯形圖程序，當(dāng)輔助功能選通信號(hào)F0007.1 接通時(shí)，譯碼指令可對(duì)M19 指令進(jìn)行譯碼，譯碼后R00016.4 線圈得電為高電平“1”信號(hào)，作為自動(dòng)控制方式時(shí)主軸定向中間狀態(tài)信號(hào)。

圖12 主軸定向指令M19 譯碼PMC 控制程序圖

在圖13 所示PMC 梯形圖程序中，主要PMC信號(hào)含義如表4 所示。R0023.7 為數(shù)控系統(tǒng)無報(bào)警信號(hào)，即當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)無“急?！薄皬?fù)位”“回參考點(diǎn)”報(bào)警時(shí)該觸點(diǎn)信號(hào)為接通狀態(tài)；G0029.5 為PMC 發(fā)送至 CNC 的主軸定向信號(hào)；F0045.1 為主軸停止信號(hào)，在主軸停止時(shí)為“1”信號(hào)；F0045.7為主軸定向完畢信號(hào)，在主軸定向完成時(shí)為“1”信號(hào)。該程序原理如下：先利用DEC 譯碼指令對(duì)數(shù)控程序中的定向指令M19 進(jìn)行譯碼，譯碼后R00016.4 信號(hào)為“1”信號(hào)；當(dāng)機(jī)床工作方式為MDI、DNC、AUTO 三種工作方式之一時(shí)，R0001.2為“1”信號(hào)；此時(shí)，若機(jī)床主軸無正、反轉(zhuǎn)信號(hào)，系統(tǒng)無“急停”“復(fù)位”及“回參考點(diǎn)”報(bào)警，則F0045.1、R0023.7 信號(hào)為接通狀態(tài)，進(jìn)而接通主軸定向信號(hào)G0029.5 并自鎖。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)第一主軸定向指令信號(hào)G0070.6 的接通及自鎖。若數(shù)控機(jī)床為JOG、HND 工作方式時(shí)，R0001.1 為“1”信號(hào)；此時(shí)，若按下機(jī)床操作面板上主軸定向按鍵，則可由R0003.5 信號(hào)接通主軸定向信號(hào)G0029.5 并自鎖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)第一主軸定向指令信號(hào)G0070.6 的接通及自鎖。

圖13 主軸定向控制PMC 控制程序圖

表4 PMC 程序中各信號(hào)含義表

4 小結(jié)

串行主軸控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，必須要清楚串行主軸控制系統(tǒng)的類型，具體而言就是根據(jù)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)硬件判別出主軸系統(tǒng)是速度控制或位置控制系統(tǒng)。不論是上述哪種主軸控制系統(tǒng)，主軸速度控制功能的實(shí)現(xiàn)均需編制文中所述轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制PMC 梯形圖程序；但是，對(duì)于串行主軸控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)主軸定向、攻螺紋等功能時(shí)，速度控制系統(tǒng)顯然不能實(shí)現(xiàn)這些功能，必須采用接近開關(guān)定向或位置控制系統(tǒng)，此時(shí)要根據(jù)具體的控制系統(tǒng)類型設(shè)定相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)。筆者主要從串行主軸速度功能、主軸定向功能的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面闡述了串行主軸系統(tǒng)的調(diào)試方法，在主軸定向功能實(shí)現(xiàn)時(shí)除了編制梯形圖程序外，更多的是設(shè)定主軸定向時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)。從主軸定向功能實(shí)現(xiàn)來看，具體到主軸的某一功能實(shí)現(xiàn)，參數(shù)設(shè)定固然簡單，但是參數(shù)設(shè)定過程往往還需不斷運(yùn)行主軸進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)實(shí)際調(diào)試結(jié)果來設(shè)定最終的參數(shù)值。