1 前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求越來越強(qiáng)烈袱巨，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期也越來越短讽益，中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，從而對(duì)制造設(shè)備提出了更高的要求遥喘。為滿足市場的需要，要求制造設(shè)備具有高效率蚪库、高質(zhì)量纯殖、高柔性及低成本的性能，數(shù)控機(jī)床作為一種自動(dòng)化的加工設(shè)備而被廣泛采用人杜。同時(shí)动荚，隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)向更高層次的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也必將成為柔性制造單元（FMC）皱蝙、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的基礎(chǔ)裝備悉通。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜、高質(zhì)量矮层、高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備滤填，己成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

　　PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器是20世紀(jì)60年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置晓言。PLC作為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的嶄新產(chǎn)品认扼，也是開放式數(shù)控系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分啸盏。它在處理開關(guān)量的控制問題時(shí)起著重要作用。現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床一般可分為機(jī)床床體（MT）骑祟、NC和PLC三部分回懦。數(shù)控機(jī)床中NC和PLC協(xié)調(diào)配合共同完成對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制，其中NC主要完成管理調(diào)度及軌跡控制等“數(shù)字控制”工作次企，PLC主要完成與邏輯有關(guān)的一些動(dòng)作怯晕，如刀具的更換、工件的夾緊及冷卻液潤滑液的開停缸棵。PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制舟茶、生產(chǎn)自動(dòng)線控制中得到極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用技術(shù)蛉谜。

　　在數(shù)控機(jī)床上有兩類控制信息:一類是控制機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的位置信息稚晚，如數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的前、后型诚、左客燕、右移動(dòng);主軸箱的上、下移動(dòng)和圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位移量等狰贯。這些控制是用插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置比較后得到的差值张鸟，對(duì)伺服進(jìn)給電機(jī)進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。這種控制的核心作用就是保證實(shí)現(xiàn)加工零件的輪廓軌跡吼闽，除點(diǎn)位加工外牌度，各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)之間隨時(shí)隨刻都必須保持嚴(yán)格的比例關(guān)系。這類數(shù)字信息是由CNC系統(tǒng)（專用計(jì)算機(jī)）進(jìn)行處理的驱香，即“數(shù)字控制”揖蜒。另一類是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，以CNC系統(tǒng)內(nèi)部和機(jī)床上各行程開關(guān)示奉、傳感器升诡、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)為條件皇铝，并按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序页函，對(duì)諸如主軸的開停、換向锡胡，刀具的更換庭四，工件的夾緊、松開绘雁，液壓橡疼、冷卻、潤滑系系統(tǒng)的運(yùn)行控制。這一類控制信息主要是開關(guān)量信號(hào)的順序控制衰齐，一般由PLC來完成任斋。

　　2 精密切割數(shù)控機(jī)床的功能分析

　　精密切割數(shù)控機(jī)床是通過數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字方式控制刀具的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削，在編寫數(shù)控車削加工程序時(shí)耻涛，并不考慮刀具废酷。在加工前，用戶必須將刀具的X軸補(bǔ)償量抹缕、Z軸補(bǔ)償量澈蟆、刀尖圓弧半徑、刀尖形式共四種補(bǔ)償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)卓研，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序趴俘，進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算。這四種參數(shù)中奏赘，刀尖形式按數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定予以確認(rèn)寥闪，刀尖圓弧半徑可由R規(guī)測(cè)量，而刀具的X,Z軸補(bǔ)償量的測(cè)量則相對(duì)困難一些钮药，使用自動(dòng)對(duì)刀儀能很好地解決這個(gè)問題椭梁，為此，數(shù)控機(jī)床及加工中心大多配置了各種不同類型的對(duì)刀裝置尺果，如機(jī)外對(duì)刀儀捻奉、機(jī)內(nèi)光學(xué)對(duì)刀儀、接觸式自動(dòng)對(duì)刀裝置等捌秩。由于車削中心對(duì)一般的數(shù)控車床刀具夾持標(biāo)準(zhǔn)化程度不高九站，因此采用機(jī)外對(duì)刀儀的對(duì)刀精度相對(duì)較低，而且專用機(jī)外對(duì)刀儀成本較高脓大，操作復(fù)雜屋骇，需要專門的操作空間，所以實(shí)用性較差过桌。而采用機(jī)內(nèi)接觸式自動(dòng)對(duì)刀裝置無疑是一種簡便辫田、快捷的對(duì)刀方法，它能方便地自動(dòng)測(cè)量刀具的固定刀補(bǔ)值艺挽，大大減少對(duì)刀時(shí)間，提高機(jī)床的加工效率桐猬。所以本文旨在設(shè)計(jì)一種機(jī)內(nèi)接觸式的數(shù)控車床麦撵，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車削前的精密對(duì)刀，提高生產(chǎn)率溃肪，降低加工成本免胃。需要解決的問題主要有以下方面:自動(dòng)對(duì)刀儀需有高精度的電子測(cè)頭（傳感器），能夠準(zhǔn)確在觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)，有較快的反映時(shí)間;對(duì)刀儀的測(cè)頭與刀尖剛性接觸羔沙，需加緩沖裝置躺涝，對(duì)測(cè)頭表面保護(hù)，壓力需控制在1～10MPa左右扼雏，這樣才不會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)頭造成損壞坚嗜，形成凹坑;系統(tǒng)能利用機(jī)床本身的位置測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)不同刀尖觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)（X,Z）的記錄诗充，可以方便地得到一組坐標(biāo)值苍蔬，分析計(jì)算后便可確定各刀刀補(bǔ)值;安裝和固定對(duì)刀儀的裝置（聯(lián)接臂）應(yīng)達(dá)到相應(yīng)精度要求，滿足平行度與垂直度要求蝴蜓，且要有較好的剛度和易操作性碟绑。

　　3 精密切割數(shù)控機(jī)床總體設(shè)計(jì)

　　對(duì)精密切割的功能，主要需保證刀具切割精度榛舍，因此要求對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)床的主要部件一一傳感器的精度得到保證溃杖，傳感器的作用是感知和檢測(cè)某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息耽慌，將被測(cè)量（刀尖位置這個(gè)物理量）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（電流卢圈、電壓）表示的物理量。 精密切割的數(shù)控機(jī)床傳感器由以下幾部分組成：

　　在本文中呐取，傳感器的選用應(yīng)有相當(dāng)?shù)木撒粒瓿梢韵鹿δ?1）、實(shí)現(xiàn)對(duì)X軸和Z軸兩個(gè)方向的傳感拂炉，對(duì)刀儀要得到X軸和Z軸的坐標(biāo)值送写，必須使不同刀具在相同的點(diǎn)觸發(fā)傳感器，進(jìn)而運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能再結(jié)合編程實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)坐標(biāo)值的獲取旱婚。實(shí)際上傳感器要完成的功能是一個(gè)開關(guān)量婉劲，不同的刀具在相同點(diǎn)觸發(fā)即可。2）针执、由于刀具偏角的不同便锨，傳感器不能做成X軸向和Z軸向相互垂直的兩對(duì)傳感器，這樣對(duì)Z向坐標(biāo)的時(shí)候我碟，得到的刀尖點(diǎn)可能不是真實(shí)的刀尖點(diǎn)坐標(biāo)放案。

　　本文采用的是機(jī)械式開關(guān)傳感器，用機(jī)械觸發(fā)的方式得到一個(gè)開關(guān)量的輸出矫俺，當(dāng)?shù)都馀c傳感器觸發(fā)并行進(jìn)到預(yù)設(shè)位置時(shí)吱殉，電路接通得到觸發(fā)信號(hào)。機(jī)械式傳感器相對(duì)來說精度是差一些厘托，但只要設(shè)計(jì)合理友雳，也能將誤差控制在合理的范圍內(nèi)。另一方面，可自行設(shè)計(jì)以兼顧刀具刀偏角的不同和傳感器的大小及聯(lián)接方式押赊。此種傳感器簡單適用饺藤，成本較低，具有很大的市場推廣價(jià)值流礁。

　　4 PLC與數(shù)控系統(tǒng)編程

　　NUM1020/1040數(shù)控系統(tǒng)是NUM于1995年開發(fā)出的全新數(shù)控系統(tǒng)涕俗，是緊湊且功能完善的32位數(shù)控系統(tǒng)，并且和NUM1060系列系統(tǒng)完全兼容崇棠。它特別適合于1～6軸的數(shù)控機(jī)床求旷，其硬件特點(diǎn)如下：采用CISC（ 超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的GSP主板;主板上連接可插接（分離的）小模板，由于考慮到數(shù)控系統(tǒng)和系統(tǒng)外部的聯(lián)系燎匪，NUM把和外界聯(lián)系的功能模塊制造成可插接小模塊赊手，便于用戶將來的維護(hù)。具體分為軸模塊购畴、顯示模塊和通訊模塊;NUM1020/1040采用+24VDC為其電源輸入猫乃，由于數(shù)控系統(tǒng)是弱電電路，采用+24VDC為電源輸入铣才，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素的影響责祥。用戶可以把+24VDC穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，大大提高了整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性;PLC功能的內(nèi)部集成旱樊，PLC功能的內(nèi)部集成化壳坞，提高了PLC和CNC的內(nèi)部通訊能力，增強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床的邏輯控制;PLC的32輸入和24輸出模塊述茂，NUM的32輸入和24輸出模塊可以和外圍的電路相連接搂瓣，而這種模塊通過NUM提供的電纜和NUM數(shù)控系統(tǒng)連接，提高了整個(gè)機(jī)床的可靠性雇寇。（如果有問題氢拥，只能損壞這種模塊，不會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)造成損壞）;光纖技術(shù)的通訊锨侯，PLC輸入輸出點(diǎn)的擴(kuò)展嫩海，通過光纖進(jìn)行連接，簡化了線路的連接;軸轉(zhuǎn)接模塊囚痴，機(jī)床的編碼器和到伺服的線路可以直接聯(lián)到此模塊上叁怪，并通過它和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進(jìn)行連接，提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性深滚。另外骂束，NU M的軸連接和其它數(shù)控系統(tǒng)不同，NUM的軸模塊連接此軸的所有信息（如編碼器成箫、速度信號(hào)、回零開關(guān)）。如果機(jī)床的軸有問題蹬昌，可以直接把軸模塊上的插頭相對(duì)換混驰，就能很快地查出問題所在（系統(tǒng)內(nèi)部或外部）;輕巧實(shí)用的緊湊型操作面板。其上顯示器和計(jì)算機(jī)的CRT有可兼容性皂贩，與NC相通的功能鍵共有47個(gè)捣柿，有6個(gè)用戶自由定義鍵及串行通訊接口，可以連接PC的鍵盤（直接插拔）拘挡。

　　按照設(shè)計(jì)要求疚都，當(dāng)傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的程序并未監(jiān)控掌社，此時(shí)是不能記錄刀尖坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的哥笤。必須先使進(jìn)給電機(jī)停下來，等候操作者發(fā)出指令簇茉，然后進(jìn)行下一步的操作协悼。所以應(yīng)該通過PLC的控制來實(shí)現(xiàn)這一功能，將Q001.0和Q001.1兩個(gè)端子分別與兩兩個(gè)進(jìn)給電機(jī)相連哈寂，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制残昔。其次，傳感器共有四個(gè)測(cè)頭佑茴，但對(duì)進(jìn)給電機(jī)的控制都是一樣的：任何一個(gè)傳感器得到信號(hào)都必須使相應(yīng)的電機(jī)同時(shí)停下來物即，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

　　數(shù)控機(jī)床的傳感器得信號(hào)后通過接口電路傳給PLC键闺，PLC將得到的信號(hào)通過交換區(qū)與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸寿烟，CNC將信息運(yùn)算處理后再傳遞到PLC中，PLC控制X向電機(jī)和Z向電機(jī)運(yùn)動(dòng)艾杏。

　　將%I001.0韧衣、%I001.1、%I001.2购桑、%I001.3 四個(gè)輸入口分別與四個(gè)傳感器相連畅铭，然后再與COM口連接。傳感器得到信號(hào)后勃蜘，相當(dāng)于開關(guān)閉合硕噩，由原先的+24VDC電壓跳變?yōu)榱悖瑥亩oPLC的相應(yīng)的輸入端口一個(gè)信號(hào)缭贡。輸出口%Q001.0控制X方向進(jìn)給電機(jī)的使能炉擅，%Q001.1控制Y方向進(jìn)給電機(jī)的使能。

　　NUM1060CNC是一種多功能阳惹、多處理器的系統(tǒng)谍失，它提供與數(shù)控機(jī)床連接的各種自動(dòng)控制功能眶俩。用梯形圖語言編制的自動(dòng)控制功能包括安裝在機(jī)床上的傳感器和執(zhí)行機(jī)械以及與CNC的數(shù)據(jù)交換。自動(dòng)控制功能設(shè)置在中央處理單元之中铝比，它包括一塊或多塊功能卡荠补，CNC通過它們實(shí)現(xiàn)圖形顯示，自動(dòng)控制和信息存儲(chǔ)功能穷筒。CPU與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換可以分為二種類型：通過交換區(qū)的通訊和通過協(xié)議的通訊宁线。

　　自動(dòng)控制功能由一個(gè)監(jiān)督程序進(jìn)行管理，它包括處理初始化弦撤，將輸入/輸出點(diǎn)分配到不同的框架以及輸人輸出接口和監(jiān)視器的管理等多種基本任務(wù)僻一。監(jiān)控程序與用戶程序一起對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的監(jiān)督管理。用戶程序是在監(jiān)督程序控制下受一個(gè)20ms周期的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）支配循環(huán)運(yùn)行的鼠基。

　　機(jī)床處理器的存儲(chǔ)器空間安排如下：

　〖剿痢（1） 有備份功能（掉電保持）的32K靜態(tài)RAM。

　【凵恕（2） 在電源接通是復(fù)位（清零）的32K動(dòng)態(tài)RAM嗤积。

　　（3） 機(jī)床處理器（1MB V1）的用戶程序使用的180KB動(dòng)態(tài)RAM坠天。

　『煌骸（4） 機(jī)床處理器（4MB V1）的用戶程序使用的2.5MB動(dòng)態(tài)RAM。

　×∫铡（5） 機(jī)床處理器（4MB V2）的用戶程序使用的3.5MB動(dòng)態(tài)RAM仓洼。

　　（6） UCSII模塊上的用戶程序使用的64KB動(dòng)態(tài)RAM堤舒。

　　自動(dòng)控制功能如下：

　∩ā（1） 對(duì)DACs（12位）直接存取。

　∩噻汀（2） 對(duì)ADCs和輸入/輸出點(diǎn)間接讀和寫存取箕戳，這種存取是經(jīng)由虛擬存儲(chǔ)空間（每20ms刷新）實(shí)現(xiàn)的。

　　5 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)數(shù)控車床對(duì)刀具精確切割中国撵，對(duì)刀時(shí)間長陵吸、精度差這一問題，設(shè)計(jì)了精密切割數(shù)控車床介牙，通過對(duì)刀尖位置的精確捕捉運(yùn)用NUM數(shù)控系統(tǒng)自身的測(cè)量裝置得到了刀尖點(diǎn)的坐標(biāo)壮虫，經(jīng)過計(jì)算將不同刀具相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀的位置偏差得出并再存入數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)刀环础，有效地提高了對(duì)刀的效率和精度囚似，具有可推廣性「谙瑁可為生產(chǎn)效率的提高幌蹈，制造成本的降低起到積極的作用碎瓢。

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