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1．引言 DAU－150型電液控制仿型銑床是日本牡野（MAKINO）公司七十年代初生產(chǎn)的仿型加工設(shè)備；其仿型控制系統(tǒng)采用的是電子時(shí)代的早期技術(shù)——分立電子元件組成的。由于年代久遠(yuǎn)，分立電子元件均已嚴(yán)重老化，故障頻繁，且各種機(jī)械、電子備件根本無處購買，造成維修困難，已無法正常使用。應(yīng)廠家要求，作者使用具有自主版權(quán)的華中Ⅰ型高性能數(shù)控系統(tǒng)，對該仿型銑床進(jìn)行數(shù)化改造，使該機(jī)床既具有普通數(shù)控機(jī)床的功能，又具有仿型機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。本文對機(jī)床數(shù)控改造、尤其是仿型控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)之間關(guān)系等方面的內(nèi)容進(jìn)行了介紹。 2.數(shù)控化改造步驟 對仿型機(jī)床的改造，用戶不僅要求保留原有的仿型加工功能，而且要求增加普通數(shù)控加工功能。針對用戶要求和該銑床的特點(diǎn)、機(jī)床的數(shù)控改造分兩個(gè)步驟進(jìn)行。兩個(gè)階段的改造任務(wù)完成后，該機(jī)床不僅具有通用數(shù)控機(jī)床的功能，而且具有仿型機(jī)床的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。 第一階段進(jìn)行機(jī)床的數(shù)控化改造，使該機(jī)床成為一臺數(shù)控機(jī)床，具有數(shù)控加工能力。在原機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)，取代原機(jī)床的電液控制系統(tǒng)；使用西門子611A交流伺服驅(qū)動單元和交流伺服電機(jī)取代原X、Y、Z三軸的液壓脈沖馬達(dá)，并取消龐大的伺服液壓站；采用西門子變頻調(diào)速器控制主軸的轉(zhuǎn)速，取代原電磁離合器變速箱，實(shí)現(xiàn)主軸的無級調(diào)速。 第二階段則進(jìn)行仿型控制系統(tǒng)軟件的安裝及三維仿型測頭的更換。原仿型測頭由于超期使用，其精度與靈敏度都大大降低，已不能正常工作。而仿型測頭是仿型機(jī)床的關(guān)鍵部件，它的性能對仿型加工的質(zhì)量有著重要作用。作者選用英國雷尼紹（RENISHAW）公司的SP2型仿型測頭，使用自己開發(fā)的SP2仿型測頭數(shù)據(jù)樣接口電路和仿型控制處理軟件，實(shí)現(xiàn)仿型加工。 3．?dāng)?shù)控化改造原理 如圖1所示為DAU－150仿型銑床的數(shù)控改造方案示意圖。采用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制機(jī)床運(yùn)動。計(jì)算機(jī)插槽插入伺服驅(qū)動控制板、I／O板、測頭位移采樣板等。機(jī)床由X、Y、Z三軸伺服電機(jī)驅(qū)動。I／O板用于諸如限位開關(guān)、操作面板旋鈕狀態(tài)、指標(biāo)燈狀態(tài)等檢測與控制。當(dāng)仿型加工時(shí)，測頭位移采樣板采集測頭的變形量，用于控制仿型運(yùn)動。顯示器可實(shí)時(shí)顯示測頭或刀具中心的運(yùn)動軌跡。采用華中Ⅰ型數(shù)控系統(tǒng)，將數(shù)控底層軟件駐留內(nèi)存。如果應(yīng)用程序?yàn)槠胀〝?shù)控解釋程序，則該機(jī)床為普通數(shù)控機(jī)床；如果應(yīng)用程序?yàn)榉滦涂刂瞥绦?，則該機(jī)床為仿型加工機(jī)床。 4．仿型加工的方式 （l）一維ZOX、ZOY平面仿型 如圖2所示，這種仿型方式又稱Z軸的一維仿型，即仿型測量過程中測頭只在Z軸做一維仿型退讓動作，其它軸做仿型進(jìn)給運(yùn)動。在ZOX或ZOY平面的行切仿型過程中可由操作者在任意地點(diǎn)、任意時(shí)刻切換；仿型加工區(qū)域也可隨時(shí)改變，仿型過程中有高度的自由，以增加對復(fù)雜曲面仿型加工能力。
（2）二維XY平面內(nèi)曲線仿型 如圖3所示為兩種純XOY平面二維曲線的仿型方式：其一為任意非自交、封閉二維曲線、其二為任意非自交、開曲線。
（3）回轉(zhuǎn)曲面仿型 如圖4所示，帶層進(jìn)給的二維仿型，主要用于凸臺類回轉(zhuǎn)曲面的仿型加工。帶層進(jìn)給的二維仿型層進(jìn)給方向可以是沿Z軸由下向上（見圖4（a）），也可以是由上向下（見圖4（b））。如圖4（c）所示，帶層進(jìn)給的二維仿型可以進(jìn)行部分回轉(zhuǎn)曲面區(qū)域的仿型加工。二維仿型方向、層進(jìn)給方向等控制參數(shù)可以在仿型過程中隨時(shí)切換，具有較強(qiáng)的適宜性。
（4）三維清根仿型 三維清根仿型的目的是清除回轉(zhuǎn)柱面與底面之間的切屑余量。如圖5（a）所示、三維清根仿型方式適合于凸臺與底曲面相交部位的清根仿型切削，如圖5（b）所示清根仿型初始階段測頭自尋的過程。三維清根仿型的特點(diǎn)是：在仿型過程中測頭與型面始終保持兩點(diǎn)接觸，一為測頭的底點(diǎn)，一為測頭的測點(diǎn)。測頭中心軌跡是一條空間曲線，三維清根仿型時(shí)三軸必須聯(lián)動。
5. 仿型加工中測頭跟隨控制 測頭與型面接觸，受到x、y、z三個(gè)方向力的作用，在接觸力的作用下，測頭沿作用力合力的方向產(chǎn)生一定的偏移。設(shè)測頭沿三個(gè)方向的變形分εx、εy,εz，則測頭綜合變形量ε應(yīng)是三者的矢量和，即ε=√(ε2+xεy2+εz2)。根據(jù)仿型測量測頭的跟隨性要求，在仿型過程中測頭應(yīng)始終與曲面接觸，而根據(jù)仿型加工的要求，測頭的綜合變形量應(yīng)受到嚴(yán)格的約束，即εmin＜ε＜εmax。其中εmin是仿型加工中測頭準(zhǔn)許的最小綜合變形量，εmax是準(zhǔn)許的最大變形量。因此，仿型加工控制算法就是采取適當(dāng)?shù)牟呗?，在仿型運(yùn)動過程中，控制測頭綜合變形量在最小和最大準(zhǔn)許變形量之間變動，且使綜合變形量為ε0=(εmax+εmin)/2。ε0 為測頭仿型運(yùn)動中綜合變形量的期望值。 在仿型過程中，測量單元獲得測頭變形量；測頭跟隨調(diào)節(jié)算法根據(jù)測頭當(dāng)前變形量與期望變形量的差值△ε＝ε－ε0 以及各軸的變形量，計(jì)算x軸、y軸、z軸動速度Vx,Vy,Vz并送到伺服系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三軸仿型運(yùn)動。仿型控制算法的思想是，測頭在仿型運(yùn)動過程中，當(dāng)測頭欠壓時(shí)，要使測頭向型面靠近；當(dāng)測頭過壓時(shí)，要使測砂離開型面。因此測頭跟隨調(diào)節(jié)算法的核心是：在給定速率V的基礎(chǔ)上確定合速度V的方向，實(shí)現(xiàn)合速度V向物理驅(qū)動軸的分解。 仿型合速度V的分解，有兩種方法。一種是差動比例調(diào)節(jié)法，另一種是速度圓矢量分解算法。差動比例調(diào)節(jié)法適合于電液模似仿型控制，如液壓馬達(dá)伺服仿型控制。六、七十年代的仿型加工機(jī)床基本都采用這種仿型控制方法。由于差動比例調(diào)節(jié)法仿型加工誤差大、仿型速度慢等缺點(diǎn)，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已逐漸淘汰。速度圓矢量分解算法對任意連續(xù)曲面仿型加工，具有對曲面形狀敏感性低、仿型運(yùn)動平穩(wěn)性高、速度、快以及加工精度高的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)仿型跟隨控制的要求，測頭仿型過程中合速度分解、指令傳輸、伺服響應(yīng)等一系列環(huán)節(jié)到機(jī)床實(shí)現(xiàn)給定速度的周期T應(yīng)滿足條件：T＜(εmax-εmin)/2V ，即為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，算法調(diào)節(jié)周期T應(yīng)小于測頭從最小變形量εmin以合速度V運(yùn)動到最大變形量所需時(shí)間的二分之一，以確保測頭在仿型加工過程中的加工精度。 在一個(gè)速度調(diào)節(jié)周期T內(nèi)，測頭可能的最大位移為V·T≤εmax－εmin，亦即在一個(gè)周期T內(nèi)測頭移動為小直線段，該段直線可近似為型面與仿型坐標(biāo)平面截交線在接觸點(diǎn)處的切線，測頭仿型運(yùn)動控制的實(shí)質(zhì)是：測頭沿切線進(jìn)給運(yùn)動的同時(shí)，沿接觸點(diǎn)處法矢做進(jìn)退補(bǔ)償運(yùn)動，以使測頭在下一個(gè)速度調(diào)節(jié)周期T開始時(shí)，測頭的綜合變形量為ε0。速度圓矢量分解算法如圖6所示，設(shè)測頭與型面接觸點(diǎn)為P，型面與仿型坐標(biāo)平面截交線在接觸點(diǎn)P處的法矢為n（注意：法矢n為型面接觸點(diǎn)P的曲面法矢在仿型坐標(biāo)平面的投影），切矢τ的正方向與x軸的正方向夾角為銳角。過P點(diǎn)作一跟隨圓O，圓心O在過P點(diǎn)的法矢n上且與型面相切于點(diǎn)P，圓的半徑r＝ε0。如圖6示，稱坐標(biāo)系zox為物理驅(qū)動坐標(biāo)系，坐標(biāo)系noτ為邏輯驅(qū)動坐標(biāo)系（noτ為動態(tài)坐標(biāo)，隨著接觸點(diǎn)的不同而不同）。由于在一個(gè)周期T內(nèi)側(cè)頭沿切矢移動為很小的直線段，因此在一個(gè)周期T內(nèi)、物理驅(qū)動坐標(biāo)系zox下的曲線（曲面）仿型運(yùn)動可簡化到邏輯驅(qū)動坐標(biāo)系noτ下的直線（平面）仿型運(yùn)動。用法矢n上的有向線段OB表示△ε的大小與符號。過△ε的終點(diǎn)B作切矢τ的平行線BQ，在進(jìn)給方向上與跟隨圓的交點(diǎn)為Q；有向線段OQ的方向即是測頭運(yùn)動的合速度V的方向。 在速度圓矢量分解算法中，合速度V的方向完全由△ε確定。當(dāng)△ε＞0（即測頭過壓）時(shí)，測頭沿切矢運(yùn)動的同時(shí)向法矢正向運(yùn)動（離開仿型型面），即在進(jìn)給運(yùn)動的同時(shí)減小測頭變形量；當(dāng)△ε＜0（即測頭欠壓）時(shí)，測頭沿切關(guān)運(yùn)動的同時(shí)向法矢負(fù)向運(yùn)動（靠近仿型型面），即在進(jìn)給運(yùn)動的同時(shí)增大測頭變形量。 由第四節(jié)可知，三維測頭數(shù)控仿型加工有四種仿型方式，限于篇幅，本文介紹一維仿型控制的速度圓矢量分解算法，其它可以類推。 6．三維測頭的一維仿型速度分解算法 一維仿型分為zox平面或zoy平面兩種，它們的控制算法是一樣的，只不過進(jìn)給軸不同在而已，本文介紹zox平面內(nèi)的一維仿型控制算法。 測頭在zox平面內(nèi)一維仿型的特征是，沿X軸進(jìn)行進(jìn)給動作，y軸的速度始終為零，測頭沿z軸進(jìn)行仿型退讓動作，以保證測頭在復(fù)雜型面的仿型過程中刀具中心始終在zox平面內(nèi)。亦即仿型速度分解，只能分解到z軸和x軸上。 雖然測頭在zox平面內(nèi)運(yùn)動，但仿型時(shí)測頭受到的力往往是三個(gè)方向的。速度分解時(shí)需綜合考慮。若ε0為一維仿型時(shí)測頭期望變形量，設(shè)ε=√(εx2+εy2+εz2)，則在邏輯驅(qū)動坐標(biāo)系noτ下根據(jù)速度圓矢量分解算法有：
其中V是仿型運(yùn)動合速度，即給定的仿型速度；Vn是合速度在邏輯驅(qū)動坐標(biāo)軸n上的分速度；Vτ是合速度在邏輯驅(qū)動坐標(biāo)軸τ上的分速度。 由式（2）可知，若測頭受到的作用力太大（即測頭綜合變形大），則測頭以合成速度沿法矢n軸方向離開型面；由式（3）可知，若測頭受到的作用力大小，則測頭以合成速度V沿法矢n軸方向靠近型面；若測頭受到的作用力恰當(dāng)（ε＝ε0），則測頭以合成速度V沿切矢τ軸運(yùn)動；其余測頭接式（l）計(jì)算的合速度進(jìn)行仿型運(yùn)動；并且如果仿型進(jìn)給方向與物理驅(qū)動軸x的正方向相同Vτ取“＋”號，反之Vτ取“－”號。 上述算法只是將合速度分解到邏輯驅(qū)動坐標(biāo)系noτ下的法矢軸n上和切矢軸τ上，而測頭實(shí)際運(yùn)動軸是物理驅(qū)動軸z和x，也就是說需要把noτ下的合速度分解到物理驅(qū)動軸z軸和x軸上，即需計(jì)算物理驅(qū)動軸的分速度Vz和Vx。
如圖7所示，由于是zox平面內(nèi)的一維仿型，接觸點(diǎn)P處的法矢n與軸z夾角θ∈[-90o ，90o>’坐標(biāo)系zox與坐標(biāo)系noτ之間僅存在旋轉(zhuǎn)角度為θ的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)關(guān)系。因此，在坐標(biāo)系noτ下計(jì)算的合速度V（Vn，Vτ）向物理驅(qū)動坐標(biāo)系zox轉(zhuǎn)換的合速度V（Vz，Vx）計(jì)算公式為：
其中θ=actan（εx/εz），且θ∈[-90o，90o>。分析圖7并規(guī)定： 如果法矢n在坐標(biāo)系zox的第一象限，則θ∈[0o，90o>。 如果法矢n在zox的第二象限，則θ∈［－90o，0o>。 如果由式（4）計(jì)算的x軸運(yùn)動方向與當(dāng)前運(yùn)動方向相反，則令Vx＝0，即仿型運(yùn)動中不允許后退。這樣做有益于提高仿型加工精度。仿型控制系統(tǒng)按照上述方法計(jì)算出各軸的運(yùn)動速度后，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，完成測頭的仿型運(yùn)動。 7．仿型控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 如圖8所示為一維仿型掃描控制流程框圖。仿型開始時(shí)，需要確定仿型所需的各項(xiàng)參數(shù)。（1）仿型方式（模態(tài)）選擇；（2）仿型軸進(jìn)給軸選擇：是zox還是zoy平面仿型；（3）仿型進(jìn)給方向選擇；（4）仿型行進(jìn)給方向選擇；（5）仿型行進(jìn)給步距倍率選擇；（6）仿型速度倍率選擇；（7）采樣數(shù)據(jù)是否以文件形式存盤；（8）屏幕顯示方式選擇。 以上仿型參數(shù)都是通過操作面板上的多位旋鈕或計(jì)算機(jī)鍵盤進(jìn)行選擇，數(shù)控系統(tǒng)每64ms通過軟件PLC查詢各相關(guān)旋鈕、限位開關(guān)及鍵盤的狀態(tài)，并記錄在數(shù)控系統(tǒng)與仿型系統(tǒng)的通訊區(qū)，實(shí)現(xiàn)上述仿型參數(shù)的實(shí)時(shí)選擇與切換。如當(dāng)前仿型方式是zox平面仿型，可在仿型過程中立即切換到zoy平面仿型；當(dāng)前仿型行進(jìn)給方向是沿行進(jìn)給軸的負(fù)方向，可立即切換到行進(jìn)給軸正方向等等。 仿型控制系統(tǒng)的中斷調(diào)用屬于定時(shí)中斷，采用中斷調(diào)用定對器負(fù)責(zé)CPU工作對象，按預(yù)先規(guī)定的時(shí)刻及優(yōu)先級進(jìn)行工作。仿型速度分配是仿型控制中最重要的任務(wù)，其優(yōu)先級最高。根據(jù)仿型測量型面跟隨中各軸速度調(diào)節(jié)的要求，要達(dá)到理想的加工精度，仿型速度分配周期應(yīng)為4ms，即每4ms中斷調(diào)用一次仿型速度分配函數(shù)。若仿型速度為300mm／min，則仿型加工理想尺寸精度為：4(ms)*300mm/(60*1000ms)=0.02(mm)；考慮到刀具誤差、機(jī)床運(yùn)動誤差、機(jī)床動態(tài)響應(yīng)能力以及測頭的測量誤差等因素，實(shí)際仿型加工精度為±0.O5mm。
CPU空閑時(shí)順次執(zhí)行機(jī)床是否停止、測頭是否超量程、仿型是否正常停止以及計(jì)算機(jī)屏幕顯示內(nèi)容刷新等程序模塊；如果上述模塊一切正常，則程序回到仿型參數(shù)選擇與切換模塊，以根據(jù)動態(tài)切換的仿型參數(shù)決定下一次仿型的方式。這些程序模塊是優(yōu)先級最低的程序。 一維仿型結(jié)束的條件很多，有些是緊急情況下的結(jié)束，有些是正常情況下的結(jié)束。所有這些產(chǎn)生的仿型結(jié)束的條件，當(dāng)結(jié)束條件消失后，仿型過程都是可重入的。緊急情況下的結(jié)束，必須立即停止仿型測量與加工。仿型過程緊急結(jié)束的條件為：（1）緊急按鈕作用；（2）機(jī)床鎖住按鈕作用；（3）機(jī)床z軸鎖住按鈕作用；（4）測頭超量程報(bào)警；（5）機(jī)床極限限位開關(guān)作用；（6）機(jī)床電器故障報(bào)警。仿型過程正常結(jié)束的條件為：（1）規(guī)定的仿型區(qū)域仿型完畢；（2）仿型結(jié)束按鈕作用。 zoy平面與zox平面內(nèi)的一維仿型控制流程完全相同，其區(qū)別有三點(diǎn)：（1）進(jìn)給軸不同；（2）行進(jìn)給軸不同；（3）計(jì)算法矢偏轉(zhuǎn)角度的參數(shù)不同，此時(shí)： θ=actan（εy/εz）,且θ∈［－90o，90o>。
如圖9所示為zox平面一維仿型，y軸隱含為行進(jìn)給軸，行進(jìn)給方向?yàn)閥軸的正方向。型面在xoy平面投影邊界為粗實(shí)線（圖中粗曲線所為區(qū)域，邊界AD、BC為可能的仿型行進(jìn)給動作發(fā)生處，邊界CD為仿加工起始處，AB為的自動仿型加工結(jié)束處。如果沿zox平面一維仿型，測頭運(yùn)動界AD、BC或人為強(qiáng)制（如點(diǎn)H、F處）發(fā)生仿型行進(jìn)給指令，則仿型控制程序自動調(diào)用沿zoy平面一維仿型速度分配模塊，進(jìn)行zoy平面一維仿型，且當(dāng)測頭運(yùn)動弧長達(dá)到指定行進(jìn)給步距后，切換仿型進(jìn)給軸的運(yùn)動方向，再進(jìn)人沿zox平面一維仿型速度分配模塊。仿型過程中操作者通過操作面板上按鈕可以隨時(shí)產(chǎn)生行進(jìn)給動作，以減少不必要的仿型加工，提高仿型測量效率。也可以隨時(shí)改變仿型行進(jìn)給步距的大小及方向，增加不規(guī)則型面仿型加工的靈活性。 8．結(jié)論 改造后的仿型機(jī)床，仿型操作界面友好、方便，學(xué)習(xí)容易，仿型精度和速度明顯提高。除上述幾種加工方式外，使用該仿型系統(tǒng)加工的模型，其仿型軌跡可數(shù)字化后存入硬盤，并具有比例縮入、陰陽模轉(zhuǎn)換及數(shù)控編程與加工等功能。仿型銑的成功改造，為常柴贏得了效益。實(shí)踐表明，老仿型機(jī)床的數(shù)字化改造，可以僅化幾十萬元就可以將老機(jī)床改造成國際市場上百萬元才能買到的高科技、多功能數(shù)控機(jī)床，為企業(yè)上等級、上品種，加快新品開發(fā)創(chuàng)造條件。 |
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