1 CNC八軸控制
原八軸的控制
原控制系統(tǒng)是日本FANUC-15M系統(tǒng)，其CNC部分直接控制兩個(gè)主軸(一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主軸，即C軸)和X、Y、Z、A四個(gè)軸，并通過PLC和STAMA公司自制的接口控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(C2軸)、刀庫(kù)軸(Q軸)和直線運(yùn)動(dòng)式機(jī)械手軸(V軸)。PLC共占用I/O點(diǎn)為288/192點(diǎn)。C2軸(回轉(zhuǎn)式工作臺(tái))分為兩個(gè)工作區(qū)，在一個(gè)工作區(qū)進(jìn)行加工的同時(shí)，另一個(gè)工作區(qū)可以裝卸工件，兩個(gè)工作區(qū)每循環(huán)一次就可以加工出八個(gè)工件。另外原機(jī)床的換刀有其特殊性，由Q軸(刀庫(kù)軸)、V軸(直線式機(jī)械手軸)和Z軸等三個(gè)軸共同配合完成換刀動(dòng)作。其過程是：當(dāng)有換刀指令時(shí)，Q軸轉(zhuǎn)到正確刀位，V軸帶著機(jī)械手到刀庫(kù)取刀，再移動(dòng)到主軸端，機(jī)械手的另兩爪抓住主軸上的兩把刀，然后通過Z軸向上運(yùn)動(dòng)來(lái)拔刀，機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)180°以后，Z軸又下降將新刀插入主軸，V軸再回到刀庫(kù)將換下的刀插入刀庫(kù)原位置。所以換刀全過程涉及到三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手的各種動(dòng)作，以及大量的電磁閥和位置檢測(cè)元件，整個(gè)動(dòng)作比較復(fù)雜。
由于FANUC-15M系統(tǒng)是對(duì)我國(guó)禁運(yùn)的產(chǎn)品，經(jīng)調(diào)研論證后，我們選用了四軸聯(lián)動(dòng)的SIEMENS-840D數(shù)控系統(tǒng)。主軸和X、Y、Z、A軸直接由CNC控制，可完全達(dá)到原來(lái)的技術(shù)指標(biāo)。而原PLC控制的C2、Q、V三軸，也改為CNC直接控制。由于選用的西門子標(biāo)準(zhǔn)操作面板不占用外部I/O點(diǎn)，同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有專用的位置編碼器，節(jié)約了大量的I/O點(diǎn)，所以PLC控制占用的I/O點(diǎn)減少到192/160點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了原機(jī)床的PLC功能，優(yōu)化了PLC程序，改善了原機(jī)床的功能。具體方法如下述。
當(dāng)CNC發(fā)出換刀指令時(shí)，通過PLC送出數(shù)字指令和各控制信號(hào)，通過接口電路轉(zhuǎn)化為模擬指令，再通過西門子驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。隨刀庫(kù)同步轉(zhuǎn)動(dòng)、且對(duì)應(yīng)56把刀的絕對(duì)編碼器ENC2將刀號(hào)的粗位置反饋回PLC，達(dá)到粗定位的目的，然后再由精密電位器：來(lái)精確定位，進(jìn)而進(jìn)行后續(xù)的換刀工作。在此機(jī)械傳動(dòng)鏈中，以上兩個(gè)位置傳感器均不安裝于電動(dòng)機(jī)內(nèi)。
經(jīng)過多級(jí)齒輪和蝸桿、蝸輪傳動(dòng)，電動(dòng)機(jī)與絕對(duì)編碼器(ENC2)的傳動(dòng)比為157.357/1，而電動(dòng)機(jī)與精密電位器(R)的傳動(dòng)比為2.81/1，均不為整數(shù)。與系統(tǒng)配套的伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有增量編碼器，但用來(lái)確定刀具位置就不合適了，因?yàn)槠錄]有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在分析了整個(gè)刀庫(kù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和編碼器特性后，我們采用了外置增量式編碼器，安裝于電位器R的位置，即編碼器與刀庫(kù)的傳動(dòng)比為56:1，這樣就可以像X、Y、Z、A軸一樣，方便地回到參考刀位(定為1號(hào)刀)，且每一刀位又和編碼器有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)精度又因CNC的128倍頻的作用而勝于原精密電位器定位，從而達(dá)到了粗精定位兩種目的，實(shí)現(xiàn)了刀庫(kù)軸的功能。
V軸的控制方法 原控制框圖類似于Q軸控制圖，只是沒有電位器精定位。V軸位置由絕對(duì)編碼器(ENC2)來(lái)檢測(cè)。本次改造中V軸的控制也采用直接由CNC控制。由于V軸藏于主軸立柱腔內(nèi)，不便返回參考點(diǎn)，必須要有位置記憶，因此我們選用了與840D配套的絕對(duì)位置編碼器來(lái)覆蓋V軸的全行程，再配合西門子電動(dòng)機(jī)內(nèi)置位置編碼器共同完成V軸的精確定位，達(dá)到的控制精度比原來(lái)的高。
C2軸的控制方法 C2軸原電氣控制精度不高，其精度是由齒盤嚙合來(lái)保證的。該工作臺(tái)在0°和180°之間來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)。其位置由0°和180°點(diǎn)上的兩個(gè)限位開關(guān)檢測(cè)。原理是：CNC發(fā)出工作區(qū)交換指令后，由PLC譯碼產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)指令，使工作臺(tái)升起。再經(jīng)接口板、驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按預(yù)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，由多個(gè)開關(guān)提供電動(dòng)機(jī)需加速、減速和工作臺(tái)到位與否的信號(hào)。工作臺(tái)到位后，電動(dòng)機(jī)停，工作臺(tái)降下，完成一次轉(zhuǎn)換過程。本改造中，該軸也改由CNC直接控制的西門子數(shù)字伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)完成。具體的動(dòng)作過程和原來(lái)差不多，不同的是：①由于使用了數(shù)控伺服軸，且電動(dòng)機(jī)內(nèi)配有內(nèi)裝式增量編碼器，要正常工作，必須開機(jī)回參考點(diǎn)，為了不增加新的元器件，對(duì)PLC程序作了特殊的編制，使開機(jī)后計(jì)算機(jī)根據(jù)開關(guān)狀態(tài)自動(dòng)設(shè)置坐標(biāo)值，完成工作臺(tái)不動(dòng)作情況下的模擬回零操作。②它雖是作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，只能在0°～180°之間來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，類似于直線軸的運(yùn)動(dòng)特性。所以將其指定為直線軸，方能可靠地限制其在0°～180°之間轉(zhuǎn)動(dòng)，避免了旋轉(zhuǎn)軸可能產(chǎn)生的360°轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了工作臺(tái)的可靠性。
PLC控制軸改為CNC控制軸的一些特殊性
原PLC控制軸Q、V、C2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙較大，對(duì)位置精度要求不高，因此主要用速度環(huán)來(lái)控制。改為CNC 控制以后，既有速度環(huán)，又有位置環(huán)及實(shí)時(shí)監(jiān)控，容易產(chǎn)生位置偏差和速度偏差報(bào)警，這就增加了調(diào)試難度。在改造中，我們一方面加強(qiáng)機(jī)械傳動(dòng)鏈的剛性，另一方面又用加大間隙補(bǔ)償，加大動(dòng)靜態(tài)位置檢測(cè)公差，適當(dāng)增大增益和到位檢查時(shí)間，降低加速度和最大速度等參數(shù)設(shè)定辦法加以克服。
V軸結(jié)構(gòu)不僅間隙大，而且彈性變形大，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。其機(jī)械手臂約長(zhǎng)640mm，所以V軸在運(yùn)行中的彈性變形通過絲杠隨時(shí)影響著位置檢測(cè)，使該軸在快速運(yùn)動(dòng)中容易產(chǎn)生振蕩。根據(jù)這一特點(diǎn)在調(diào)試中要適當(dāng)減小增益，降低速度，增加到位檢測(cè)時(shí)間，方能保證系統(tǒng)穩(wěn)定。
在換刀過程中，要涉及到Q、V、Z三軸運(yùn)動(dòng)。V、Z軸之間配合問題不大，Q、V軸的配合卻存在一定問題，這是因?yàn)闄C(jī)床有雙主軸，機(jī)械手每次要從刀庫(kù)抓兩把刀，兩刀之間又相隔三把刀，加之Q、V軸的彈性變形，所以機(jī)械手從刀庫(kù)取刀時(shí)，易產(chǎn)生干涉而報(bào)警，除了作上面調(diào)試外，還在PLC程序中設(shè)定分段的變速運(yùn)動(dòng)以克服兩軸之間的干涉，保證了換刀可靠性。
2 改造效果
經(jīng)機(jī)械大修和以上控制系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)改造，恢復(fù)了原機(jī)床的所有功能，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到STAMA公司出廠時(shí)的要求：如X、Y、Z快移速度達(dá)到22m/min，進(jìn)給速度達(dá)到1～10000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，還可任意角度定位。X、Y、Z的定位精度為6.546µm、8.254µm、9.621µm( 出廠指標(biāo)為≤12µm)，重復(fù)定位精度為3.15µm、3.533µm、3.25µm(出廠指標(biāo)為≤8µm)。系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠，機(jī)床操作安全方便。
