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數控係統跟隨軸在數控立式車（chē）床雙層刀架改造上的應用

2016-8-17 來源：湖南鐵（tiě）道職（zhí）業技術學院車機學院作者（zhě）：範芳洪（hóng）

摘要：為了解決（jué）數控機床（chuáng）改造中充分利用係統功能和節省改造成本的問題，通過分析立式（shì）數控車床係統硬件配置，提出用數控係統跟（gēn）隨（suí）軸控製來改造雙層刀架。采用NC和PLC相結合的方法（fǎ）控製換刀（dāo），設計了換刀子（zǐ）程序和換刀PLC程序。對刀架進行（háng）調試，運行結果表明：改造後該機床換刀可靠、精度高、故障率低，達到了伺服刀架的控製（zhì）要求，並且充分地利用了數控（kòng）係統資源，減少硬件配（pèi）置，節省了改造成本。

關鍵詞：雙層刀架；跟隨軸；分度控製

數控係統的（de）跟隨軸是不需要伺服驅動器、伺服電機等硬件（jiàn）設施，但可編程控製坐標，可（kě）以在（zài）顯示器上顯示其（qí）位置的虛擬伺服軸，在（zài）數控機床上（shàng）有（yǒu）些控製場所可代替伺服軸，並能（néng）和伺服軸達到同樣的控製效果，而且跟隨軸（zhóu）控製減少了（le）硬件配置，節約成本。

作者單（dān）位有一台20世紀90年代從美國（guó）進口的Tv．44數控立式車床，由x、z兩進給軸和（hé）主軸組成，配有伺服驅（qū）動的雙層塔（tǎ）式刀架。刀架的夾緊和鬆開由液壓驅動來實現。由於使（shǐ）用年限較長和電氣元件老（lǎo）化（huà），電氣故障率高，機床不（bú）能（néng）正常工作。該機床的剛性和機械精度較好，出於投入成本的考慮，對（duì）機床進行電氣化改造，數控係統選用西門子840D係統⋯，配1個主軸伺服驅動器（qì）和1個雙軸進給驅動器，如果刀架（jià）控製（zhì）還采用伺（sì）服控製，必須要增加1個單軸的（de）伺服放大器和1個伺服電機，勢必增加了（le）改造成本。如（rú）果用液壓（yā）馬達驅（qū）動刀（dāo）架旋轉，把刀（dāo）架設為數控係（xì）統的跟隨（suí）軸，不（bú）僅能（néng）達到（dào）伺服刀（dāo）架的控製要（yào）求還減少伺服硬件（jiàn），節約了機床改造成本（běn）。文中通（tōng）過實例介紹（shào）數控係統（tǒng）跟隨軸在數控立式車床7rv—44雙層刀架改造上的（de）應用。

1、改造後機床（chuáng）的配置及換刀分析

改造後的rIv．44數控（kòng）立（lì）式車（chē）床（chuáng）配備西門（mén）子840D數控（kòng）係統，x軸全（quán）閉環控製。x軸伺服電機編碼（mǎ）器和線（xiàn）性光柵尺分別（bié）接到611D驅動器的（de）X411接口和X421接（jiē）I：1上，Z軸半閉環控製，Z軸伺服電機編碼器接到驅動器（qì）的X412接（jiē）口上【2]。如圖1所示。原伺服電機驅動（dòng）的雙層塔式刀架改成油液壓馬達驅動．上層刀架6把刀具，刀（dāo）具的分度角度為600，下層刀架8把刀具，刀具的分度角度為450，上下兩層的（de）第一把刀具在同一個位置（zhì），如圖2所示。刀架的鬆開和夾緊（jǐn）由夾緊液壓缸實現．改造前伺服（fú）電機正反兩個（gè）方向驅動刀架轉（zhuǎn）位，實現就（jiù）近換刀，刀架的粗定位由伺服電機的（de）脈衝（chōng）編碼器來實現，精準定位是依靠刀架內部（bù）端麵齒盤的鼠牙齒，當（dāng）兩端（duān）麵齒完全齧合時，刀架鎖（suǒ）緊檢測（cè）開關發出信號，完成換刀。原伺服刀架通過（guò）設置合理的加減速時間，使刀架快速旋轉找刀，達到目標刀位前減速（sù）。實現了刀架的準確定位。原伺（sì）服電機的脈衝編碼器是絕對式的，能記住斷（duàn）電前（qián）當前刀位的位置，開機換刀不會發生亂刀現象HJ。

圖1 611D驅（qū）動器接口

圖2雙（shuāng）層刀架（jià）刀具分布不意圖

2、液壓驅動雙層刀塔控製分析

把液壓馬達驅動的雙層刀塔作為（wéi）係統（tǒng）的跟隨軸來控製要（yào）解決以（yǐ）下3個問題：’(1)雙層刀架刀位號檢測（cè）的問（wèn）題；(2)怎麽實現刀架快速旋轉找刀，慢（màn）速定位；(3)怎麽記憶斷電前的當前刀（dāo）位號。

雙層刀架上下兩層刀具的分度數不（bú）相同，所以刀（dāo）位號的檢測不能象其他刀架用絕對編碼器來實現（xiàn）。刀塔上的每把刀位都有一個固定的（de）角度，每層1號刀位的角度為0。用T，表示刀架上層刀位號，那麽其對（duì）應的角度為(x一1)x60。，X的取值範圍是1～6。用T，，表示下層刀位號，其對（duì）應的角度為(y一1)x45。，y的取值範圍是1。8。例如，T。表示刀架上（shàng）層的4號（hào）刀位（wèi），在刀架軸180。的位置（zhì），T。。表示刀下層的6號刀（dāo）位，在刀架軸2250的位置，其餘刀（dāo）位在刀架（jià）軸上的位置依此類推，因此刀架刀位的檢測可以用外（wài）置的增量式脈衝編碼器來實現（xiàn）。液壓馬（mǎ）達（dá）驅動（dòng）刀架旋轉，通過控製液（yè）壓馬達的流量可以實現馬達快速旋轉找刀、慢速定位。840D係統有掉電保持型用戶變量（liàng），如變量"]。斷電後中的（de）數（shù）據不會丟失。把ZSFR刀架當前刀位的位置（zhì）存放在此類變量中，斷電開機後．再從變量中讀（dú）取數據來（lái）獲得當（dāng）前（qián）刀位的（de）位置信息．從而解決了增量脈衝編碼器（qì）不能記憶斷電前（qián）的當前刀位號。

3、刀架旋轉跟隨軸的設置

刀架的分度由液壓馬達驅動，要在屏幕上顯示刀（dāo）位（wèi）的分度角度，需把刀架設置（zhì）成係統的旋轉跟隨軸⋯。雙層刀架外（wài）置的增量脈（mò）衝編碼（mǎ）器(1 024線／轉)接到驅（qū）動器（qì）的X442接口上，用（yòng）來檢測刀位的分（fèn）度角度．並且（qiě）要設置（zhì）如表1所示的參數。

表l B軸跟隨軸部分參（cān）數設置

通過以上設置後，在顯示器上會顯示出B軸（zhóu）(刀架)的位置坐標，刀架旋轉分度時（shí），B軸(刀架)的位置（zhì）坐標隨（suí）著改變，可（kě）以清楚地知道刀架（jià）當前的位置坐標。

4、換刀子程（chéng）序的（de）設計

TOOL程序流程圖如圖3所示。

圖3 TOOL程序流程圖如圖（tú）

把（bǎ）刀架設（shè）成旋轉跟隨軸（zhóu）[6]。換刀控（kòng）製就是對曰軸分度。采用NC和PLC相結合的方（fāng）法來實現換刀控製。B軸的分度方向、減速定位寬度和到位判斷等需要計算控製的由840D的NC來（lái）完成，並把判斷結果通過H功（gōng）能傳給PLC，PLC根（gēn）據NC的判斷結果使刀架執（zhí）行相（xiàng）應的動作來進行換刀【7】。設（shè）計了換刀子程序TOOL，用T指令調用子程序TOOL，其流程圖如（rú）圖3所示（shì）。變量一ZSFR[0]保存當前刀位的位置值；變（biàn）量R12通過讀取_ZSFR[0]來獲取當前刀位的位置；變量R15存放目標刀號的位置值，根據當前刀位的位置值和目標刀位的位置值計算出日軸的（de）旋轉方向．通（tōng）過H1傳給PLC來快速旋轉找刀：用係統變量（liàng）$AA—MM[B]讀取B軸的當前位置值，當達到減速定位寬度(一般離目標刀號（hào）位置±5。範圍內)通過H2把（bǎ）減速信號傳給PLC來慢速旋轉定位，當到達目標刀位（wèi）時。通過H3把到位信號傳給PLC來停止馬達旋轉；刀架落下並鎖緊後，更新一ZSFR[0]變量（liàng）中的數值（zhí），保證和（hé）當前刀位的位置一致（zhì）。

5、刀架的調（diào）試

5．1 刀架定位的調（diào）試

用流量控製液壓馬達的旋轉速度．液壓馬達快速旋（xuán）轉找刀和慢速旋轉定位用調速閥來實（shí）現，刀架的液壓控製原理如圖4所示。快（kuài）速旋轉找刀時，調速閥被旁路不起作（zuò）用；當慢速定位時，電磁鐵YA3(正向找刀慢速定位)或電（diàn）磁鐵YA4得電(反（fǎn）向找（zhǎo）刀慢速定位)把調速（sù）閥接入液壓回路中。調節好調速閥使刀架在定位時（shí）無爬（pá）行和過衝現象，運動平穩【7]。減（jiǎn）速的位置要適當（dāng），離目標位置太遠，換（huàn）刀時間長，離目標位置太近，容易（yì）過衝，根（gēn）據定位速（sù）度調節減速定位寬（kuān）度，使得刀架換刀快、定位準。

圖4刀（dāo）架的液壓（yā）控製原理圖

5．2回參考（kǎo）點的調（diào）試

用掉（diào）電（diàn）保持型用戶變量保存當前刀（dāo）位的位置（zhì）值，斷電開機後通過（guò）讀取變量就能獲得當前刀位位置信（xìn）息，但首次開機當前（qián）刀（dāo）位位置值顯示的（de）是個隨機數，需要回參考點建立正確的位置關係（xì）。日（rì）軸（zhóu）(刀架)的參考點設置在1號刀位上，回參考點後（hòu），當前的刀位號是1號，角度是（shì）0，把當前刀位位置值寫入變量（liàng）_ZSFR[0]中，每次換刀後刷新變量一ZSFR[0]，使得變量_ZSFR[0]中的值和（hé）當前刀（dāo）位位（wèi）置值一致（zhì），以後開機不需要回參（cān）考點了。

日軸(刀架)采用調整很方便的磁開關法回參考點，在刀架軸l號刀位上裝一金屬塊，在刀座上安裝一個接近開關（guān）。在參考點模式下，液壓馬達驅（qū）動刀架旋轉到1號刀位時，接近開關（guān）發出一轉信號，這個（gè）信號接到z軸驅動X432接口上(BERO信號接口)；當係（xì）統接收到BERO信號後．液壓馬達停止旋轉。B軸回參考點已經完成，在顯示器上B軸左邊顯示參考點標記，位置坐（zuò）標顯（xiǎn）示為0。調試中要調整（zhěng）好接近開關和金屬塊的相對位置．使得在發出BERO信號位置上刀架能落下鎖緊[8]。B軸回參考點需要設置如表2所示的參數。

表2 B軸回（huí）參考點的（de）部分參數

5．3換刀PLC程序的調試

換刀PLC程序根據NC傳送來的H功能信號．控製刀架的鬆開、鎖緊，液壓馬達的正反轉及減速等，換刀PLC外圍接口控製電路如圖5所示，控製流程（chéng）圖（tú）如圖6所示。840D係統的H1、H2、H3功能在PLC中相應的接口數據塊分別（bié）為DB21．DBWl40，DB21．DBWl4．146和DB21．DBWl4．152。當有T，，換刀指令時，數據塊DB21．DBX60．1(刀具功能發生變化)置l；當需要換刀時，首先鎖緊電磁鐵YA5失電，刀架鬆開，然後根據DB21．DBWl40中的值驅動液壓馬達正向(或（huò）反轉)快速旋（xuán）轉（zhuǎn）找刀（dāo），到達減速寬度範圍內，DB21．DBWl4．146為1，正向找刀時YA3得電(或反向找刀時YA4電磁鐵得電)，經過調速閥調速刀架慢速旋轉定位。到達目標位置時．DB21．DBWl4．152為1，YAl、YA2、YA3、YA4斷電（diàn）馬達停止旋轉，YA5電（diàn）磁鐵得電，鎖緊液壓缸（gāng）動作，刀架落下鎖緊，鎖緊到位後接近開關SQl發出信號，換刀（dāo）完成。

圖5 PLC外圍接口及控製電路

圖6換刀（dāo）PLC程序流（liú）程圖

6、結束語

經過上述調試後．雙層（céng）刀架能（néng）正反轉高速找刀和慢速定位，實現了換刀。改造後該機床每天工（gōng）作時間在18 h以上，機床換（huàn）刀快、可靠，定位精度（dù）高，故障率低。使用效果好，達到了伺服刀架控製的要求。采用NC和PLC相結合的方（fāng）法控（kòng）製換刀（dāo），簡化了（le）PLC程序，調試方便。把跟隨軸應用在刀架控製上，充分利用了（le）數控係統的功能，節省了係統硬件配置資源，提高了數控係統的性價比，降低了改造成本。此研究思路對（duì）從事相（xiàng）關工作的技術人員有著實際的指導意義和參考價值[9]。

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