西門子828D數(shù)控系統(tǒng)在展刀上的應(yīng)用研究
2024-1-23 來源： 萬向錢潮股份公司 作者：張銀橋 姚禮軍
摘要：基于西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計了一套帶有展刀頭的車加工機(jī)床控制系統(tǒng)，主要由西門子828D數(shù)控系統(tǒng)、基恩士高精度接觸式傳感器、輸入/輸出模塊、S120伺服驅(qū)動器、伺服電機(jī)和絕對位置編碼器組成。利用數(shù)控系統(tǒng)的軸耦合功能，使展刀徑向位移與軸向進(jìn)給能夠在金屬切削加工時做到插補(bǔ)運算，滿足外圓、圓弧、倒角等加工要求。與普通數(shù)控車床相比，應(yīng)用展刀技術(shù)的車床具有加工效率和精度高，剛性好，機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便等特點。
關(guān)鍵詞：展刀頭；展刀動力頭結(jié)構(gòu)；虛擬軸；軸耦合；伺服控制
0 引言
展刀頭是一種在隨主軸旋轉(zhuǎn)時還驅(qū)動刀具進(jìn)行徑向位移的裝置，常用于非標(biāo)準(zhǔn)專用切削類機(jī)床。其動作與原理如下：通過驅(qū)動位移拉桿向后位移來帶動滑塊移動，主要是位移拉桿驅(qū)動斜柄使滑塊做徑向位移，從而帶動安裝在滑塊上的刀架在旋轉(zhuǎn)的同時做徑向運動進(jìn)行切削。雙刀展刀頭（圖1）應(yīng)用廣泛，適用于圓孔內(nèi)外加工、車銑、車牙、搪溝槽、錐形、凹面或凸面等圓球面加工。
圖1 展刀頭示意圖
1、驅(qū)動方式分類及展刀動力頭結(jié)構(gòu)
針對展刀盤滑塊徑向運動，目前有兩種驅(qū)動方式，一種是靠液壓傳動來控制展刀徑向行程，另一種是通過伺服來控制展刀徑向行程。其中，液壓控制展刀響應(yīng)速度慢、精度低，應(yīng)用場合有限；而伺服控制展刀響應(yīng)速度快、精度高，可以利用現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)的插補(bǔ)功能，
實現(xiàn)圓弧面加工。
文獻(xiàn)[1]的專利提供了一種展刀動力頭結(jié)構(gòu)（圖2），其由雙伺服驅(qū)動分別驅(qū)動展刀頭旋轉(zhuǎn)和展刀滑塊相對移動，主要包括主軸、絲桿、滑塊、展刀盤和主軸箱體，主軸通過兩只主軸軸承支承在主軸箱體上，外部的伺服電機(jī)通過驅(qū)動帶輪驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)，帶動展刀盤上的刀具做旋轉(zhuǎn)運動。具體傳動方式如下：展刀盤22中心的滑塊7沿主軸軸向做前后運動時，滑塊7兩側(cè)的斜齒結(jié)構(gòu)驅(qū)動徑向的刀體滑軌21做徑向運動，從而驅(qū)動安裝在其上面的刀具進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，主軸3前端安裝絲桿6用于驅(qū)動滑塊7，絲桿6由螺母座套筒8后端的展刀帶輪5驅(qū)動，通過控制展刀帶輪5與主軸3之間的差速，實現(xiàn)對絲桿6精確的位置控制。
1—主軸軸承A；2—主軸軸承B；3—主軸；4—主軸帶輪；5—展刀帶輪；6—絲桿；7—滑塊；8—螺母座套筒；9—軸承；10—支撐軸承；
15—螺母；21—滑軌；22—展刀盤；40—配油器；51—主軸箱體；61—配油管。
圖2 展刀動力頭結(jié)構(gòu)
2、伺服驅(qū)動的具體實現(xiàn)方法
2.1 系統(tǒng)配置
設(shè)備控制采用西門子828D數(shù)控系統(tǒng)，配備3個驅(qū)動器和3個伺服電機(jī)。其中一個伺服控制主軸帶動展刀盤旋轉(zhuǎn)；一個伺服控制刀體滑塊移動，需要配合主軸做同步運動才能控制展刀位置穩(wěn)定不變，當(dāng)需要改變展刀徑向位置時，要求當(dāng)前伺服電機(jī)在耦合主軸同步轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上進(jìn)行位置控制，耦合技術(shù)詳見文獻(xiàn)[2]；剩下的一個伺服控制整個展刀動力頭做軸向往復(fù)運動。在選擇828D數(shù)控系統(tǒng)車床版本時，要注意選擇能夠兼容四軸及以上的版本，因為控制設(shè)備運行時用到虛擬軸技術(shù)，占用一個軸的位置，它是由主軸和控制展刀的伺服軸耦合出來的，在系統(tǒng)上表示展刀徑向位移，并且在數(shù)控系統(tǒng)里要對虛擬軸進(jìn)行NC參數(shù)設(shè)定。數(shù)控系統(tǒng)需配置“電子齒輪”功能選項，使用輔助功能“電子齒輪”可以控制跟隨軸運動，使之按照線性運動偏移與最多五個引導(dǎo)軸相關(guān)聯(lián)運動，引導(dǎo)軸和跟隨軸之間的關(guān)聯(lián)按照每個引導(dǎo)軸通過耦合系數(shù)進(jìn)行定義，算出的跟隨軸運動分量是由單個引導(dǎo)軸運動分量乘各自的耦合系數(shù)通過加法構(gòu)成。
2.2 系統(tǒng)輸入/輸出分配及作用
系統(tǒng)的輸入/輸出配置如表1所示，其中DI0.1～DI0.4接的是基恩士GT2-70系列接觸式位移傳感器，該傳感器有5路輸出，分別為良、H、L、HH、LL，表示傳感器將量程分成了5段，測頭位于相應(yīng)的分段內(nèi)，傳感器就給出對應(yīng)的信號，把“良”信號接入系統(tǒng)背面X242.6接口，用于快速響應(yīng)，其余傳感器輸出接入PLC輸入口。
該傳感器安裝在展刀動力頭末端，用于測量展刀滑塊的移動量，盡管展刀滑塊在展刀盤內(nèi)部，無法直接測量，但是可以通過測量連接展刀滑塊的絲桿的相對位置的移動，通過換算間接測得展刀滑塊徑向移動的距離，測得的絲桿的位置變化與展刀徑向位置變化成線性關(guān)系。設(shè)備在進(jìn)行車削加工前需確定一個基準(zhǔn)點，在基準(zhǔn)點這個位置，測量得出展刀盤上兩把車刀刀尖距離，這個具體同位置傳感器當(dāng)前讀數(shù)對應(yīng)，當(dāng)每次找到這個基準(zhǔn)點時，設(shè)備總是能知道當(dāng)前車刀刀尖距離。但設(shè)備實際運行過程中，傳感器測到這個基準(zhǔn)點時會有信號傳遞上的誤差，如果以控制系統(tǒng)收到這個信號為基準(zhǔn)點，時間上的差異將導(dǎo)致基準(zhǔn)的重復(fù)精度不夠，滿足不了設(shè)備加工要求。聯(lián)想到傳統(tǒng)的帶相對位置編碼器的伺服回零方案，也是先找到回零信號，再尋找編碼器零點信號完成回零動作。設(shè)備主軸和同步軸都采用了單圈絕對位置編碼器，當(dāng)找到傳感器的基準(zhǔn)點后，接著讓同步軸往固定方向轉(zhuǎn)動，直到主軸和同步軸角度數(shù)值完全一致，這樣就可以非常精確地對零。
表1 IO輸入/輸出表
2.3 系統(tǒng)的連接和功能調(diào)試
系統(tǒng)的連接根據(jù)西門子提供的828D簡明調(diào)試手冊進(jìn)行，在數(shù)控系統(tǒng)里將所有NC軸配置完成，并根據(jù)828D數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)手冊設(shè)置好對應(yīng)軸的NC參數(shù)，X軸是伺服進(jìn)給軸，U軸是同步主軸，SP是主軸，V軸是主軸和同步軸耦合出來的虛擬軸，代表徑向位置，V軸的位置0表示尋零位后的參考位置，不代表展刀盤上的兩個刀尖實際距離為0，因此需要在設(shè)備回零后，測量兩把刀尖實際距離，并把對應(yīng)的數(shù)值換算后寫入V軸偏置設(shè)定中，這樣設(shè)備在實際加工作業(yè)時，X軸和V軸是兩個互為插補(bǔ)軸。
同步功能的啟用，根據(jù)828D工作準(zhǔn)備部分編程手冊，首先在“制造商循環(huán)”目錄下導(dǎo)入CYCPE_MA文件，類型為SPF，用記事本打開內(nèi)容為：
每次系統(tǒng)重啟上電就執(zhí)行同步動作，將主軸和同步主軸的速率實時提取出來，分別賦值給DB4900.DBD8和DB4900.DBD12，PLC通過對這兩個數(shù)據(jù)的處理，可以實時監(jiān)控這兩個軸的轉(zhuǎn)速和同步功能執(zhí)行情況，并做出相應(yīng)的應(yīng)答處理。在系統(tǒng)上電完成，未運行任何程序的情況下，主軸和同步主軸還沒有處于耦合狀態(tài)，只是PLC程序?qū)蓚€軸的速度進(jìn)行了監(jiān)控。要想耦合軸數(shù)控系統(tǒng)需要運行一段加工程序，在該程序中，還要完成展刀的尋零動作，保證每一次設(shè)備斷電重啟之后找到的都是同一個零點，也就是找到零點時，雙展刀的刀尖距離都是同一個數(shù)值。以下是運行的加工程序：
1.EGOFS(U1)
程序運行原理如下：
第一步，取消耦合功能，讓主軸和同步主軸處于能夠自由運動狀態(tài)，理由是當(dāng)設(shè)備完成耦合功能時，可能需要再次進(jìn)行回零操作，這時候如果沒有取消耦合功能的話，同步主軸處于耦合狀態(tài)，只能跟隨主軸同步運行，無法實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，也就不能執(zhí)行尋找零位。
第二步，取消展刀滑塊到達(dá)限位就觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位的限制，然后執(zhí)行同步主軸往展刀張開方向轉(zhuǎn)動，當(dāng)展刀滑塊達(dá)到張開最大限位時（即傳感器測頭位于LL區(qū)域）同步主軸停止，主軸往反方向轉(zhuǎn)動3 s停止，使展刀滑塊往回收縮，接著同步主軸往反方向轉(zhuǎn)動，使展刀滑塊進(jìn)一步收攏，一直到零點信號（即傳感器測頭位于“良”區(qū)域）觸發(fā)停止。零點信號直接接入系統(tǒng)背后的快速輸入/輸出點X242.6，提高零點信號的系統(tǒng)響應(yīng)速度。接著，定位同步主軸使同步主軸角度跟隨主軸角度持一致，至此，整個尋零動作完成。
第三步，改變限位功能，$A_DBB[0]=0，通過PLC對這個信號的處理，當(dāng)展刀滑塊運行到設(shè)定的最大距離（即傳感器測頭位于“LL”區(qū)域）和最小距離（即傳感器測頭位于“HH”區(qū)域）時，系統(tǒng)能做出復(fù)位的應(yīng)答反應(yīng)并進(jìn)行報警提示，目的是保護(hù)展刀頭，由于展刀頭上
的滑塊有機(jī)械位置限制，在到達(dá)機(jī)械限位之前先觸發(fā)軟限位，可以起到保護(hù)機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用。
第四步，應(yīng)用軸耦合指令開啟軸同步功能，并對耦合關(guān)系進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)前程序中，使用了一個跟隨軸U與兩個引導(dǎo)軸（分別是SP1軸和V軸）的耦合關(guān)系，SP軸為實際主軸，耦合類型為0，V軸為虛擬軸，耦合類型為1，并在下一行指令中對電子齒輪比值進(jìn)行了設(shè)定，當(dāng)完成同步功能后，不能對頁面上的同步主軸U進(jìn)行單獨控制，它是跟隨主軸SP1和V軸的位置關(guān)系分量進(jìn)行耦合計算后得到的，在加工程序中，X軸表示進(jìn)給，V軸表示展刀徑向位置，SP是主軸，加工程序的編寫跟普通車床類似，具體如下：
這是一段車外圓并有圓弧臺階銜接的圓柱體的程序，X坐標(biāo)是圓柱體軸向位置，V坐標(biāo)是車刀徑向位置，兩把車刀對稱布置，切削徑向力可以相互抵消，加大一次走刀量，大大提高加工效率。
3、結(jié)語
通過引進(jìn)先進(jìn)的展刀結(jié)構(gòu)理念，本文分析設(shè)計了展刀動力頭傳動機(jī)構(gòu)，結(jié)合西門子828D虛擬軸耦合技術(shù)，將展刀復(fù)雜的控制運算化簡為一臺普通車床的編程邏輯，并進(jìn)行實物制作和實踐應(yīng)用，取得圓滿成功。應(yīng)用了展刀技術(shù)的車床跟普通數(shù)控車床相比，具有加工效率和精度高，設(shè)備剛性大，加工尺寸穩(wěn)定，編程簡單等特點，相信類似的應(yīng)用在金屬加工行業(yè)中會越來越廣泛。
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