西門子828D數(shù)控系統(tǒng)在展刀上的應(yīng)用研究

張銀橋 姚禮軍

（萬(wàn)向錢潮股份公司，浙江 杭州 311200）

0 引言

展刀頭是一種在隨主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)還驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)行徑向位移的裝置，常用于非標(biāo)準(zhǔn)專用切削類機(jī)床。其動(dòng)作與原理如下：通過(guò)驅(qū)動(dòng)位移拉桿向后位移來(lái)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，主要是位移拉桿驅(qū)動(dòng)斜柄使滑塊做徑向位移，從而帶動(dòng)安裝在滑塊上的刀架在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)做徑向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削。雙刀展刀頭（圖1）應(yīng)用廣泛，適用于圓孔內(nèi)外加工、車銑、車牙、搪溝槽、錐形、凹面或凸面等圓球面加工。

圖1 展刀頭示意圖

1 驅(qū)動(dòng)方式分類及展刀動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)

針對(duì)展刀盤滑塊徑向運(yùn)動(dòng)，目前有兩種驅(qū)動(dòng)方式，一種是靠液壓傳動(dòng)來(lái)控制展刀徑向行程，另一種是通過(guò)伺服來(lái)控制展刀徑向行程。其中，液壓控制展刀響應(yīng)速度慢、精度低，應(yīng)用場(chǎng)合有限；而伺服控制展刀響應(yīng)速度快、精度高，可以利用現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)的插補(bǔ)功能，實(shí)現(xiàn)圓弧面加工。

文獻(xiàn)[1]的專利提供了一種展刀動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)（圖2），其由雙伺服驅(qū)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)展刀頭旋轉(zhuǎn)和展刀滑塊相對(duì)移動(dòng)，主要包括主軸、絲桿、滑塊、展刀盤和主軸箱體，主軸通過(guò)兩只主軸軸承支承在主軸箱體上，外部的伺服電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)帶輪驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)展刀盤上的刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。具體傳動(dòng)方式如下：展刀盤22中心的滑塊7沿主軸軸向做前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊7兩側(cè)的斜齒結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)徑向的刀體滑軌21做徑向運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)安裝在其上面的刀具進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，主軸3前端安裝絲桿6用于驅(qū)動(dòng)滑塊7，絲桿6由螺母座套筒8后端的展刀帶輪5驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制展刀帶輪5與主軸3之間的差速，實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿6精確的位置控制。

圖2 展刀動(dòng)力頭結(jié)構(gòu)

2 伺服驅(qū)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)方法

2.1 系統(tǒng)配置

設(shè)備控制采用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，配備3個(gè)驅(qū)動(dòng)器和3個(gè)伺服電機(jī)。其中一個(gè)伺服控制主軸帶動(dòng)展刀盤旋轉(zhuǎn)；一個(gè)伺服控制刀體滑塊移動(dòng)，需要配合主軸做同步運(yùn)動(dòng)才能控制展刀位置穩(wěn)定不變，當(dāng)需要改變展刀徑向位置時(shí)，要求當(dāng)前伺服電機(jī)在耦合主軸同步轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上進(jìn)行位置控制，耦合技術(shù)詳見文獻(xiàn)[2]；剩下的一個(gè)伺服控制整個(gè)展刀動(dòng)力頭做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在選擇828D數(shù)控系統(tǒng)車床版本時(shí)，要注意選擇能夠兼容四軸及以上的版本，因?yàn)榭刂圃O(shè)備運(yùn)行時(shí)用到虛擬軸技術(shù)，占用一個(gè)軸的位置，它是由主軸和控制展刀的伺服軸耦合出來(lái)的，在系統(tǒng)上表示展刀徑向位移，并且在數(shù)控系統(tǒng)里要對(duì)虛擬軸進(jìn)行NC參數(shù)設(shè)定。數(shù)控系統(tǒng)需配置“電子齒輪”功能選項(xiàng)，使用輔助功能“電子齒輪”可以控制跟隨軸運(yùn)動(dòng)，使之按照線性運(yùn)動(dòng)偏移與最多五個(gè)引導(dǎo)軸相關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)軸和跟隨軸之間的關(guān)聯(lián)按照每個(gè)引導(dǎo)軸通過(guò)耦合系數(shù)進(jìn)行定義，算出的跟隨軸運(yùn)動(dòng)分量是由單個(gè)引導(dǎo)軸運(yùn)動(dòng)分量乘各自的耦合系數(shù)通過(guò)加法構(gòu)成。

2.2 系統(tǒng)輸入/輸出分配及作用

系統(tǒng)的輸入/輸出配置如表1所示，其中DI0.1～DI0.4接的是基恩士GT2-70系列接觸式位移傳感器，該傳感器有5路輸出，分別為良、H、L、HH、LL，表示傳感器將量程分成了5段，測(cè)頭位于相應(yīng)的分段內(nèi)，傳感器就給出對(duì)應(yīng)的信號(hào)，把“良”信號(hào)接入系統(tǒng)背面X242.6接口，用于快速響應(yīng)，其余傳感器輸出接入PLC輸入口。

表1 IO輸入/輸出表

該傳感器安裝在展刀動(dòng)力頭末端，用于測(cè)量展刀滑塊的移動(dòng)量，盡管展刀滑塊在展刀盤內(nèi)部，無(wú)法直接測(cè)量，但是可以通過(guò)測(cè)量連接展刀滑塊的絲桿的相對(duì)位置的移動(dòng)，通過(guò)換算間接測(cè)得展刀滑塊徑向移動(dòng)的距離，測(cè)得的絲桿的位置變化與展刀徑向位置變化成線性關(guān)系。設(shè)備在進(jìn)行車削加工前需確定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在基準(zhǔn)點(diǎn)這個(gè)位置，測(cè)量得出展刀盤上兩把車刀刀尖距離，這個(gè)具體同位置傳感器當(dāng)前讀數(shù)對(duì)應(yīng)，當(dāng)每次找到這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，設(shè)備總是能知道當(dāng)前車刀刀尖距離。但設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，傳感器測(cè)到這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)會(huì)有信號(hào)傳遞上的誤差，如果以控制系統(tǒng)收到這個(gè)信號(hào)為基準(zhǔn)點(diǎn)，時(shí)間上的差異將導(dǎo)致基準(zhǔn)的重復(fù)精度不夠，滿足不了設(shè)備加工要求。聯(lián)想到傳統(tǒng)的帶相對(duì)位置編碼器的伺服回零方案，也是先找到回零信號(hào)，再尋找編碼器零點(diǎn)信號(hào)完成回零動(dòng)作。設(shè)備主軸和同步軸都采用了單圈絕對(duì)位置編碼器，當(dāng)找到傳感器的基準(zhǔn)點(diǎn)后，接著讓同步軸往固定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到主軸和同步軸角度數(shù)值完全一致，這樣就可以非常精確地對(duì)零。

2.3 系統(tǒng)的連接和功能調(diào)試

系統(tǒng)的連接根據(jù)西門子提供的828D簡(jiǎn)明調(diào)試手冊(cè)進(jìn)行，在數(shù)控系統(tǒng)里將所有NC軸配置完成，并根據(jù)828D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)手冊(cè)設(shè)置好對(duì)應(yīng)軸的NC參數(shù)，X軸是伺服進(jìn)給軸，U軸是同步主軸，SP是主軸，V軸是主軸和同步軸耦合出來(lái)的虛擬軸，代表徑向位置，V軸的位置0表示尋零位后的參考位置，不代表展刀盤上的兩個(gè)刀尖實(shí)際距離為0，因此需要在設(shè)備回零后，測(cè)量?jī)砂训都鈱?shí)際距離，并把對(duì)應(yīng)的數(shù)值換算后寫入V軸偏置設(shè)定中，這樣設(shè)備在實(shí)際加工作業(yè)時(shí)，X軸和V軸是兩個(gè)互為插補(bǔ)軸。

同步功能的啟用，根據(jù)828D工作準(zhǔn)備部分編程手冊(cè)，首先在“制造商循環(huán)”目錄下導(dǎo)入CYCPE_MA文件，類型為SPF，用記事本打開內(nèi)容為：

PROC CYCPE_MA SBLOF DISPLOF

IF$P_PROG_EVENT==4

IDS=1 DO $$A_DBR[12]=$$AA_S[2]$$A_DBR[8]=$$AA_S[0]

ENDIF

RET

M17

每次系統(tǒng)重啟上電就執(zhí)行同步動(dòng)作，將主軸和同步主軸的速率實(shí)時(shí)提取出來(lái)，分別賦值給DB4900.DBD8和DB4900.DBD12，PLC通過(guò)對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)的處理，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控這兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)速和同步功能執(zhí)行情況，并做出相應(yīng)的應(yīng)答處理。在系統(tǒng)上電完成，未運(yùn)行任何程序的情況下，主軸和同步主軸還沒(méi)有處于耦合狀態(tài)，只是PLC程序?qū)蓚€(gè)軸的速度進(jìn)行了監(jiān)控。要想耦合軸數(shù)控系統(tǒng)需要運(yùn)行一段加工程序，在該程序中，還要完成展刀的尋零動(dòng)作，保證每一次設(shè)備斷電重啟之后找到的都是同一個(gè)零點(diǎn)，也就是找到零點(diǎn)時(shí)，雙展刀的刀尖距離都是同一個(gè)數(shù)值。以下是運(yùn)行的加工程序：

1.EGOFS(U1)

2.EGDEL(U1)

3.$A_DBB[2]=0

4.$A_DBB[0]=1

5.G90T1D0

6.G0X0

7.REPEAT

8.D0

9.G500 G0 V0

10.S2=20 M2=4

11.UNTIL($A_DBB[1]==1)

12.M2=5

13.S1=30 M1=4

14.G4F3

15.M1=5

16.REPEAT

17.S2=20 M2=3

18.UNTIL($A_IN[4]==1)

19.M2=5

20.POS[U1]=ACP(ABS($A_DBR[4]-R2))

21.$A_DBB[0]=0

22.G4F2

23.MSG("開始同步")

24.SPCOF

25.SPCOF(2)

26.SPCON

27.SPCON(2)

28.EGDEF(U1,SP1,0,V,1)

29.EGON(U1,"FINE",SP1,1,1,V,109,1)

30.MSG("同步完成")

程序運(yùn)行原理如下：

第一步，取消耦合功能，讓主軸和同步主軸處于能夠自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，理由是當(dāng)設(shè)備完成耦合功能時(shí)，可能需要再次進(jìn)行回零操作，這時(shí)候如果沒(méi)有取消耦合功能的話，同步主軸處于耦合狀態(tài)，只能跟隨主軸同步運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，也就不能執(zhí)行尋找零位。

第二步，取消展刀滑塊到達(dá)限位就觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位的限制，然后執(zhí)行同步主軸往展刀張開方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)展刀滑塊達(dá)到張開最大限位時(shí)（即傳感器測(cè)頭位于LL區(qū)域）同步主軸停止，主軸往反方向轉(zhuǎn)動(dòng)3 s停止，使展刀滑塊往回收縮，接著同步主軸往反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使展刀滑塊進(jìn)一步收攏，一直到零點(diǎn)信號(hào)（即傳感器測(cè)頭位于“良”區(qū)域）觸發(fā)停止。零點(diǎn)信號(hào)直接接入系統(tǒng)背后的快速輸入/輸出點(diǎn)X242.6，提高零點(diǎn)信號(hào)的系統(tǒng)響應(yīng)速度。接著，定位同步主軸使同步主軸角度跟隨主軸角度保持一致，至此，整個(gè)尋零動(dòng)作完成。

第三步，改變限位功能，$A_DBB[0]=0，通過(guò)PLC對(duì)這個(gè)信號(hào)的處理，當(dāng)展刀滑塊運(yùn)行到設(shè)定的最大距離（即傳感器測(cè)頭位于“LL”區(qū)域）和最小距離（即傳感器測(cè)頭位于“HH”區(qū)域）時(shí)，系統(tǒng)能做出復(fù)位的應(yīng)答反應(yīng)并進(jìn)行報(bào)警提示，目的是保護(hù)展刀頭，由于展刀頭上的滑塊有機(jī)械位置限制，在到達(dá)機(jī)械限位之前先觸發(fā)軟限位，可以起到保護(hù)機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用。

第四步，應(yīng)用軸耦合指令開啟軸同步功能，并對(duì)耦合關(guān)系進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)前程序中，使用了一個(gè)跟隨軸U與兩個(gè)引導(dǎo)軸（分別是SP1軸和V軸）的耦合關(guān)系，SP軸為實(shí)際主軸，耦合類型為0，V軸為虛擬軸，耦合類型為1，并在下一行指令中對(duì)電子齒輪比值進(jìn)行了設(shè)定，當(dāng)完成同步功能后，不能對(duì)頁(yè)面上的同步主軸U進(jìn)行單獨(dú)控制，它是跟隨主軸SP1和V軸的位置關(guān)系分量進(jìn)行耦合計(jì)算后得到的，在加工程序中，X軸表示進(jìn)給，V軸表示展刀徑向位置，SP是主軸，加工程序的編寫跟普通車床類似，具體如下：

1.G90M3S2000

2.G90T1D1

3.G90G0X20V-49.72

4.G0X5

5.G95G01X-28.513F0.5

6.G02X-31.174V-51.254CR=2.5F0.35

7.G03X-31.6V-51.5CR=0.8F0.25

8.G01X-35.76F0.35

9.G02X-36.865V-52.56CR=2.5F0.35

10.G03X-37.357V-52.9CR=0.8F0.25

11.G01X-40.6F0.35

12.G02X-42.226V-56CR=3.0F0.35

13.G00X-1.8

14.G01V-50.32F0.5

15.G01X0V-46.72F0.5

16.G01V-10F0.5

17.G00X20

18.G00X130

19.S100

20.M30

這是一段車外圓并有圓弧臺(tái)階銜接的圓柱體的程序，X坐標(biāo)是圓柱體軸向位置，V坐標(biāo)是車刀徑向位置，兩把車刀對(duì)稱布置，切削徑向力可以相互抵消，加大一次走刀量，大大提高加工效率。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的展刀結(jié)構(gòu)理念，本文分析設(shè)計(jì)了展刀動(dòng)力頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)合西門子828D虛擬軸耦合技術(shù)，將展刀復(fù)雜的控制運(yùn)算化簡(jiǎn)為一臺(tái)普通車床的編程邏輯，并進(jìn)行實(shí)物制作和實(shí)踐應(yīng)用，取得圓滿成功。應(yīng)用了展刀技術(shù)的車床跟普通數(shù)控車床相比，具有加工效率和精度高，設(shè)備剛性大，加工尺寸穩(wěn)定，編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，相信類似的應(yīng)用在金屬加工行業(yè)中會(huì)越來(lái)越廣泛。