1 引言

　　XK7136立式加工中心，原配美國(guó)AB公司的數(shù)控伺服系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)；轉(zhuǎn)盤型刀庫(kù)的容量為16把刀，由氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀；主軸為德國(guó)INDRAMAT公司的模擬伺服主軸。加工中心原控制系統(tǒng)存在三方面的不足：(1)由于外界環(huán)境的影響模擬信號(hào)受干擾較大，又因機(jī)床為半閉環(huán)控制，定位精度不高，所以機(jī)床的加工精度不高；(2)在換刀找刀時(shí)，刀盤的旋轉(zhuǎn)步數(shù)由絕對(duì)方法計(jì)算，使找刀占用很長(zhǎng)時(shí)間；(3)主軸由外部電路控制，沒有和系統(tǒng)通訊，控制不方便。經(jīng)SKY數(shù)控系統(tǒng)改造后，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床加工的高精度、高速度與易控制。

圖1 信號(hào)處理框

2 伺服系統(tǒng)的改造

　　SKY數(shù)控系統(tǒng)是在PC機(jī)平臺(tái)上開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)。它通過PC機(jī)的ISA多功能插卡，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和輸入、輸出。在機(jī)床的改造中，采用SKY系統(tǒng)特有的雙位置閉環(huán)控制方式，伺服單元采用數(shù)字式交流伺服電機(jī)(圖1)。雙位置閉環(huán)克服了一般全閉環(huán)(速度環(huán)+位置環(huán))的非線性影響，不會(huì)產(chǎn)生自持振蕩而無法工作。它是由位置檢測(cè)元件(光柵尺)和ISA插卡的位置比較器構(gòu)成位置外環(huán)，由伺服電機(jī)所帶光電碼盤和ISA插卡的位置比較器構(gòu)成位置內(nèi)環(huán)形成的轉(zhuǎn)角-線位移雙閉環(huán)系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)角內(nèi)環(huán)構(gòu)成一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)位移指令發(fā)出后，外部位置環(huán)的位置檢測(cè)元件直接獲取工作臺(tái)的位移信息，并通過內(nèi)環(huán)的跟隨性使伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。系統(tǒng)通過ISA插卡的位置比較電路，將光柵的反饋值與指令值進(jìn)行比較，用比較的差值進(jìn)行控制，直到差值消除為止。此時(shí)光柵的反饋值等于指令值，理論上消除了機(jī)床間隙對(duì)精度的影響。光柵尺的精度為5μm，機(jī)床的加工精度很高。采用數(shù)字式交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。指令信號(hào)以二進(jìn)制碼的形式發(fā)出后，以一組脈沖信號(hào)進(jìn)行傳送，不易受外界環(huán)境的干擾，而且二進(jìn)制碼以檢測(cè)碼的形式傳送，以確保二進(jìn)制碼的正確性。

圖2 S1.旋轉(zhuǎn)刀盤上的傳感器(接近開關(guān)) SCU.刀盤旋轉(zhuǎn)步數(shù)計(jì)算電路 I/OU.PC機(jī)與外部設(shè)備的通訊接口

3 換刀控制的改造

　　機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置(ATC)通過氣動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤型刀庫(kù)的上、下、左、右移動(dòng)以及夾緊/松開裝置的緊刀/松刀。刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)通過馬氏輪傳動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)。

　　找刀的硬件電路設(shè)計(jì)

　　在換刀的控制中，我們對(duì)ISA插卡做了如下的處理(圖2)。當(dāng)換刀指令M06 TXX發(fā)出后，系統(tǒng)程序根據(jù)當(dāng)前刀號(hào)以及指令的目標(biāo)刀號(hào)判斷刀盤的旋轉(zhuǎn)方向并計(jì)算出旋轉(zhuǎn)步數(shù)。然后通過低I/OU發(fā)出控制信號(hào)X0、X1至PLC控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)(X0、X1的控制狀態(tài)如表1)。刀盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刀號(hào)，接近開關(guān)S1都會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)S1輸入至SCU，SCU計(jì)數(shù)一次，直到SCU計(jì)數(shù)值等于所需旋轉(zhuǎn)步數(shù)時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)到目標(biāo)刀號(hào)，系統(tǒng)程序控制I/OU輸出控制信號(hào)(0，0)到PLC，使刀盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止。

　　找刀程序的算法

　　將旋轉(zhuǎn)刀盤的16個(gè)刀座號(hào)從1～16編號(hào)。假定：當(dāng)前刀號(hào)存儲(chǔ)在斷電保護(hù)寄存器R1中：指令的目標(biāo)刀號(hào)存儲(chǔ)于寄存器R2中。那么應(yīng)旋轉(zhuǎn)的步數(shù)n=|R2-*R1|(n[0,15])。但若n＞8，則旋轉(zhuǎn)步數(shù)不是最少步數(shù)，所以必須改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向，則旋轉(zhuǎn)步數(shù)為16-|R2-R1|(表2)。根據(jù)此算法可以計(jì)算出刀盤最少所需旋轉(zhuǎn)的步數(shù)和判斷出刀盤的旋轉(zhuǎn)方向。

　　當(dāng)系統(tǒng)收到M06 TXX指令后，系統(tǒng)程序首先將R2與R1比較，n=R2-*R1。若n=0,則M06完成；若n≠0，則系統(tǒng)開始判斷刀盤的旋轉(zhuǎn)方向并計(jì)算刀盤的旋轉(zhuǎn)步數(shù)，同時(shí)使Z軸回到換刀點(diǎn)。然后系統(tǒng)發(fā)信號(hào)使PLC有順序的控制主軸的定位、刀盤的上、下、左、右移動(dòng)以及緊刀/松刀等各個(gè)動(dòng)作。

圖3 D/AC.數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路 SOC.主軸轉(zhuǎn)速倍數(shù)電路 SCU.主軸

4 主軸控制部分的改造

　　將SKY數(shù)控系統(tǒng)與INDRAMAT模擬伺服主軸控制單元進(jìn)行通訊，是改造主軸控制部分必不可少的步驟。通訊的實(shí)現(xiàn)也是由ISA插卡和PLC連接主軸控制單元完成的(圖3)。當(dāng)系統(tǒng)收到主軸旋轉(zhuǎn)指令時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)指令的轉(zhuǎn)速大小和當(dāng)時(shí)主軸轉(zhuǎn)速倍數(shù)的乘積，發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼(以補(bǔ)碼形式，易判斷其正負(fù))給ISA卡的D/AC，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到SCU中。系統(tǒng)發(fā)出的是一個(gè)32位二進(jìn)制數(shù)碼，D/AC轉(zhuǎn)換成+10～-10的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)速由SCU中設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速vsmax和當(dāng)時(shí)的模擬電壓值U確定，計(jì)算公式為：vs=U*vsmax/10。當(dāng)U值為正量，主軸旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針；U值為負(fù)時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。當(dāng)系統(tǒng)收到指令M03 SXXXX，則指令值為正，U值為正，主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；若指令為M04 SXXXX，則指令值為負(fù)，U值為負(fù)，主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

　　PLC控制主軸控制單元SCU中的某些開關(guān)信號(hào)，如主軸使能信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)收到M03或M04指令時(shí)，I/OU發(fā)出信號(hào)告之PLC，PLC使主軸使能信號(hào)為高電平，主軸旋轉(zhuǎn)。

　　這臺(tái)加工中心經(jīng)過SKY數(shù)控系統(tǒng)改造之后，提高了加工精度和換刀速度，主軸的控制更方便，主軸轉(zhuǎn)速偏差減小。