用SKY數(shù)控系統(tǒng)改造XK7136加工中心

1 引言

XK7136立式加工中心循未，原配美國(guó)AB公司的數(shù)控伺服系統(tǒng)和直流伺服電機(jī)项茸；轉(zhuǎn)盤(pán)型刀庫(kù)的容量為16把刀钳枕，由氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀；主軸為德國(guó)INDRAMAT公司的模擬伺服主軸藐俺。加工中心原控制系統(tǒng)存在三方面的不足：(1)由于外界環(huán)境的影響模擬信號(hào)受干擾較大炊甲，又因機(jī)床為半閉環(huán)控制，定位精度不高欲芹，所以機(jī)床的加工精度不高卿啡；(2)在換刀找刀時(shí)，刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)步數(shù)由絕對(duì)方法計(jì)算菱父，使找刀占用很長(zhǎng)時(shí)間颈娜；(3)主軸由外部電路控制，沒(méi)有和系統(tǒng)通訊浙宜，控制不方便官辽。經(jīng)SKY數(shù)控系統(tǒng)改造后，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床加工的高精度、高速度與易控制同仆。

圖1 信號(hào)處理框

2 伺服系統(tǒng)的改造

SKY 數(shù)控系統(tǒng)是在PC機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)萤捆。它通過(guò)PC機(jī)的ISA多功能插卡，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和輸入俗批、輸出长笋。在機(jī)床的改造中，采用SKY系統(tǒng)特有的雙位置閉環(huán)控制方式式亥，伺服單元采用數(shù)字式交流伺服電機(jī)(圖1)枷此。雙位置閉環(huán)克服了一般全閉環(huán)(速度環(huán)+位置環(huán))的非線(xiàn)性影響，不會(huì)產(chǎn)生自持振蕩而無(wú)法工作纸藕。它是由位置檢測(cè)元件(光柵尺)和ISA插卡的位置比較器構(gòu)成位置外環(huán)哮昧，由伺服電機(jī)所帶光電碼盤(pán)和ISA插卡的位置比較器構(gòu)成位置內(nèi)環(huán)形成的轉(zhuǎn)角-線(xiàn)位移雙閉環(huán)系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)角內(nèi)環(huán)構(gòu)成一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)蕾胶，當(dāng)系統(tǒng)位移指令發(fā)出后，外部位置環(huán)的位置檢測(cè)元件直接獲取工作臺(tái)的位移信息桐继，并通過(guò)內(nèi)環(huán)的跟隨性使伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)刘耀。系統(tǒng)通過(guò)ISA插卡的位置比較電路，將光柵的反饋值與指令值進(jìn)行比較蚤弃，用比較的差值進(jìn)行控制召藻，直到差值消除為止。此時(shí)光柵的反饋值等于指令值偿尘，理論上消除了機(jī)床間隙對(duì)精度的影響忆某。光柵尺的精度為5μm，機(jī)床的加工精度很高阔蛉。采用數(shù)字式交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)弃舒。指令信號(hào)以二進(jìn)制碼的形式發(fā)出后，以一組脈沖信號(hào)進(jìn)行傳送状原，不易受外界環(huán)境的干擾聋呢，而且二進(jìn)制碼以檢測(cè)碼的形式傳送，以確保二進(jìn)制碼的正確性颠区。

S1.旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)上的傳感器(接近開(kāi)關(guān)) SCU.刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)步數(shù)計(jì)算電路 I/OU.PC機(jī)與外部設(shè)備的通訊接口
圖2

表1
(X0削锰，X1)	刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)
0，1	正轉(zhuǎn)
1毕莱，0	反轉(zhuǎn)
0器贩，0	停止

表2
R2-^*R1	刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向	刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)步數(shù)
[0，8]	正向	R2-R1
[8朋截，15]	反向	16-(R2-R1)
[-8,0]	反向	\|R2-R1\|
[-8,-15]	正向	16-\|R2-R1\|

3 換刀控制的改造

機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置(ATC)通過(guò)氣動(dòng)蛹稍，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)型刀庫(kù)的上、下、左队乔、右移動(dòng)以及夾緊/松開(kāi)裝置的緊刀/松刀隅贫。刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)馬氏輪傳動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)。

找刀的硬件電路設(shè)計(jì)
在換刀的控制中拾肚，我們對(duì)ISA插卡做了如下的處理(圖2)做销。當(dāng)換刀指令M06 TXX發(fā)出后，系統(tǒng)程序根據(jù)當(dāng)前刀號(hào)以及指令的目標(biāo)刀號(hào)判斷刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向并計(jì)算出旋轉(zhuǎn)步數(shù)奶匆。然后通過(guò)低I/OU發(fā)出控制信號(hào)X0对夹、X1至PLC控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)(X0晕围、X1的控制狀態(tài)如表1)极哨。刀盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀號(hào)，接近開(kāi)關(guān)S1都會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)S1輸入至SCU黑寻，SCU計(jì)數(shù)一次硼屁，直到SCU計(jì)數(shù)值等于所需旋轉(zhuǎn)步數(shù)時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)到目標(biāo)刀號(hào)晶恨，系統(tǒng)程序控制I/OU輸出控制信號(hào)(0赠懊，0)到PLC，使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止抗斤。
找刀程序的算法
將旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的16個(gè)刀座號(hào)從1～16編號(hào)囚企。假定：當(dāng)前刀號(hào)存儲(chǔ)在斷電保護(hù)寄存器R1中：指令的目標(biāo)刀號(hào)存儲(chǔ)于寄存器R2中。那么應(yīng)旋轉(zhuǎn)的步數(shù)n=|R2-^*R1|(n[0,15])瑞眼。但若n＞8龙宏，則旋轉(zhuǎn)步數(shù)不是最少步數(shù)，所以必須改變刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向伤疙，則旋轉(zhuǎn)步數(shù)為16-|R2-R1|(表2)银酗。根據(jù)此算法可以計(jì)算出刀盤(pán)最少所需旋轉(zhuǎn)的步數(shù)和判斷出刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向。
當(dāng)系統(tǒng)收到M06 TXX指令后徒像，系統(tǒng)程序首先將R2與^R1比較花吟，n=R2-^*R1。若n=0,則M06完成厨姚；若n≠0衅澈，則系統(tǒng)開(kāi)始判斷刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向并計(jì)算刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)步數(shù)，同時(shí)使Z軸回到換刀點(diǎn)谬墙。然后系統(tǒng)發(fā)信號(hào)使PLC有順序的控制主軸的定位今布、刀盤(pán)的上、下育另、左掩半、右移動(dòng)以及緊刀/松刀等各個(gè)動(dòng)作瞒脆。

D/AC.數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路 SOC.主軸轉(zhuǎn)速倍數(shù)電路 SCU.主軸控制單元
圖3

4 主軸控制部分的改造

將SKY 數(shù)控系統(tǒng)與INDRAMAT模擬伺服主軸控制單元進(jìn)行通訊，是改造主軸控制部分必不可少的步驟溉谣。通訊的實(shí)現(xiàn)也是由ISA插卡和PLC連接主軸控制單元完成的(圖3)纺闷。當(dāng)系統(tǒng)收到主軸旋轉(zhuǎn)指令時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)指令的轉(zhuǎn)速大小和當(dāng)時(shí)主軸轉(zhuǎn)速倍數(shù)的乘積胧含，發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼(以補(bǔ)碼形式需复，易判斷其正負(fù))給ISA卡的 D/AC，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到SCU中费控。系統(tǒng)發(fā)出的是一個(gè)32位二進(jìn)制數(shù)碼拓郑，D/AC轉(zhuǎn)換成+10～-10的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)速由SCU中設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速v_smax和當(dāng)時(shí)的模擬電壓值U確定咸培，計(jì)算公式為：v_s=U*v_smax/10节霸。當(dāng)U值為正量，主軸旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針疑跑；U值為負(fù)時(shí)怒医，主軸旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。當(dāng)系統(tǒng)收到指令M03 SXXXX奢讨，則指令值為正稚叹，U值為正，主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)禽笑；若指令為M04 SXXXX，則指令值為負(fù)蛤奥，U值為負(fù)佳镜，主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

PLC控制主軸控制單元SCU中的某些開(kāi)關(guān)信號(hào)凡桥，如主軸使能信號(hào)蟀伸。當(dāng)系統(tǒng)收到M03或M04指令時(shí)，I/OU發(fā)出信號(hào)告之PLC缅刽，PLC使主軸使能信號(hào)為高電平啊掏，主軸旋轉(zhuǎn)。

這臺(tái)加工中心經(jīng)過(guò)SKY數(shù)控系統(tǒng)改造之后衰猛，提高了加工精度和換刀速度迟蜜，主軸的控制更方便，主軸轉(zhuǎn)速偏差減小忧绊。

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機(jī)床加工中心加工插卡

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