1 前言
在數(shù)控車床行業(yè)中，目前國內(nèi)使用的大都是以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件構(gòu)成的經(jīng)濟(jì)型車床數(shù)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大多采用單片機(jī)作為控制核心，以開環(huán)方式工作，功能少而且故障率較高。在如今車床的改造過程中，我們應(yīng)用的SKY普及型車床系統(tǒng)，以其獨(dú)特的雙位置閉環(huán)控制方式，全面兼容的標(biāo)準(zhǔn)高速64位PC控制核心，方便的自動對刀功能，強(qiáng)大的CAD/CAM/CNC一體化功能，發(fā)揮出國外系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢，給用戶帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。
2 控制原理
常規(guī)閉環(huán)機(jī)床位置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是在速度環(huán)基礎(chǔ)上加位置外環(huán)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。由于這類系統(tǒng)難以克服非線性因素的影響，常因自持振蕩而無法工作。為了克服系統(tǒng)這種缺陷，以轉(zhuǎn)角—線位移雙閉環(huán)位置控制方式，使數(shù)控技術(shù)達(dá)到一個嶄新的的層次。由其構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該系統(tǒng)由內(nèi)外雙位置環(huán)組成。其內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)角位置環(huán)，檢測元件為裝于電機(jī)軸上的光電碼盤，驅(qū)動裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構(gòu)成一輸入為θi、輸出為θo的隨動系統(tǒng)。外部位置環(huán)采用光柵、感應(yīng)同步器等線位移檢測元件直接獲取機(jī)床工作臺位移信息，并以內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)角隨動系統(tǒng)作為驅(qū)動裝置驅(qū)動工作臺運(yùn)動，并且引入Gc(S)組成的前饋通道，構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)，大大提高了其跟隨性能。因?yàn)楣ぷ髋_的精度由線位移檢測元件決定，所以在理論上消除了機(jī)床間隙對精度的影響。
3 系統(tǒng)組成及應(yīng)用
系統(tǒng)控制部分結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，共分6個主要部分：伺服機(jī)構(gòu)、位置反饋、自動對刀、開關(guān)量控制、主軸控制、主軸反饋。
?。?）伺服部分 根據(jù)車床傳動部分的機(jī)械特性，我們選用相匹配的進(jìn)口交流數(shù)字式伺服電機(jī)。根據(jù)改造后車床的精度要求，選用相匹配的光柵尺作為線位移檢測元件。常規(guī)5V方波光柵尺的分辨率為5μm，其精度可達(dá)到0.01mm，讀數(shù)頭最大快移速度達(dá)24m/min，可以保證數(shù)控車床的精度及穩(wěn)定性。實(shí)際上系統(tǒng)分辨率可達(dá)0.5μm。采用更高精度的檢測元件，已經(jīng)使系統(tǒng)工作精度達(dá)到1μm。
（2）主軸部分 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對主軸部分的實(shí)時控制，我們采用配套的變頻器，如三菱、松下、臺安等對主軸電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的控制。同時配合車床自身機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，可避免其在低頻下振動與扭矩降落現(xiàn)象。系統(tǒng)將通過PLC實(shí)現(xiàn)對變頻器轉(zhuǎn)向的開關(guān)量控制，通過0～10V模擬量輸出可實(shí)時對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。這樣即可實(shí)現(xiàn)加工過程中的恒線速度切削。
另外，在主軸上（即C軸）裝配相應(yīng)的光電編碼器，將其轉(zhuǎn)速以脈沖形式進(jìn)行計(jì)數(shù)并反饋給計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)其計(jì)數(shù)結(jié)果能實(shí)現(xiàn)軟件同步螺紋切削。這種方法通過對C軸的位置反饋信息進(jìn)行數(shù)字化處理，動態(tài)提取同步信息，實(shí)時預(yù)測牽入同步點(diǎn)，并據(jù)此進(jìn)行柔性牽入同步控制，以無中斷方式實(shí)現(xiàn)了多次切削過程的軟件準(zhǔn)確同步。它大大提高了系統(tǒng)的可靠性，使螺紋車削精度得到可靠保證。
?。?）刀架部分 通過計(jì)算機(jī)與PLC的組合，實(shí)現(xiàn)了對刀架換刀的準(zhǔn)確控制。其控制流程圖如圖3。計(jì)算機(jī)發(fā)出換刀指令后，PLC接收其信號并動作，控制刀架電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。同時檢測刀架各刀位的位置反饋信號，并與計(jì)算機(jī)發(fā)出的刀號指令比較，直到一致時，停止刀架電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，同時PLC控制刀架電機(jī)反轉(zhuǎn)鎖緊。鎖緊到位后，PLC發(fā)出換刀完成信號給計(jì)算機(jī)，此時換刀動作結(jié)束。
?。?）快速自動對刀部分 配上附件對刀器，實(shí)現(xiàn)了有人工參與的快速自動對刀。其工作原理圖4可簡要說明。對刀模塊上有兩個對刀面A、B，其位置關(guān)系已知。在系統(tǒng)控制下，刀具刀尖分別觸及對刀面A、B的瞬間，采樣X、Z坐標(biāo)值，即可求得刀尖坐標(biāo)。即確定了該刀具在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置。若刀具刀尖為圓弧形，刀尖觸及A、B面時，采樣到的X、Z坐標(biāo)值為圓弧與對刀面接觸點(diǎn)的相關(guān)坐標(biāo)。此時系統(tǒng)將根據(jù)刀尖半徑與對刀面的幾何關(guān)系，通過計(jì)算求解出刀尖圓心坐標(biāo)，以此確定刀具位置。利用快速對刀功能，對一把刀只需1min左右。且對刀精度高，大大減少了加工的輔助時間，有效地提高了勞動生產(chǎn)率與車削加工質(zhì)量。
4 結(jié)論
經(jīng)過改造后的車床，如云南機(jī)床廠的C6140車床、泰興機(jī)床廠的C6150車床等，能發(fā)揮出普及型數(shù)控車床的全部功能，精度高、可靠性好、操作容易。該機(jī)床再配合系統(tǒng)強(qiáng)大的CAD/CAM/CNC三位一體的軟件編程功能，使其能加工多種精度要求高、形狀復(fù)雜的工件，從而給用戶創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益。
（轉(zhuǎn)載）
