柔性車削中心數控系統中主軸任意定向功能研發

劉艷華，何高清，祖晅，王國峰

(1．安徽職業技術學院機械系，安徽合肥230051;2．合肥工業大學機械工程學院，安徽合肥230009)

近年來汽車行業發展迅猛，制動盤作為盤式制動器的關鍵部件，有著巨大的市場需求。目前大多數汽車均采用特定規格的制動盤，故尺寸規格不一、產品種類繁多，且生產工藝要求不同。為滿足制動盤的多品種大批量生產，能夠適應多變的市場需求，急需研發適用于制動盤零件的柔性生產設備。STAR-21ZP柔性車削中心及數控系統［1-2］正是為了滿足該需求而研發的，文中介紹的主軸功能是柔性車削中心數控系統的重要組成。

1 STAR-21ZP柔性車削中心簡介

STAR-21ZP柔性車削中心如圖1所示，它是由兩臺雙刀架立式數控車床配以物流系統組成的一套完整的柔性制造單元［3］，形成了一次批量上料自動完成4個工序的連續車削加工。兩臺雙刀架立式車床“背靠背”放置，分別配有上料機構和下料機構，兩臺雙刀架立式車床間配有中間翻轉輸送機構，完成工件翻轉與輸送。兩臺車床分別完成制動盤的正、反面車削加工，物料輸送系統完成工件上料、中間翻轉輸送以及下料的任務。兩臺雙刀架立式數控車床既能獨立完成工件單面車削，又要彼此緊密配合。兩臺雙刀架立式車床、上料機構、下料機構和中間翻轉輸送機構都設計了各自的數控，它們之間通過通信來完成機床間的交流與配合，完成車床控制系統的信息流控制［4］。

圖1 STAR-21ZP型柔性車削中心

2 主軸快速任意定向功能的研發

數控系統的主軸控制功能［5-6］包括:S功能，即刀具切削點切削速度的控制功能或者主軸轉速控制功能;恒線速度控制功能，即刀具切削點切削速度為恒速的控制功能;切削倍率調整功能，即人工或自動修調切削速度，通過面板上的主軸倍率波段開關在0%～150%之間對預設的主軸速度實現實時修調。柔性車削中心系統對主軸的要求:具有足夠的輸出功率，尤其是低速切削時電機能夠輸出較大轉矩，避免出現低速爬行現象，根據切削力選擇合適功能的主軸電機即可滿足此要求;具有較寬的調速范圍，以保證加工時選用合理的切削速度，獲得最佳車削效果，該車削中心要求主軸轉速在1～1 500 r/min之間任意調整;任意方向定向功能，為滿足車削中心上料機構能準確把工件放置在主軸三爪卡盤上，或者下料機構能準確把主軸三爪卡盤上的工件取出進行下料，要求主軸在任意方向具有較高精度和快速的準停功能。為滿足以上要求，電機選用主軸數字式交流伺服電機，配套伺服驅動器，主軸控制采用閉環控制方式，位置反饋來自與機床主軸直聯的編碼器信號。伺服驅動器采用速度控制方式 (通過發送周期可變的脈沖來保證主軸速度與位置要求)，實時獲取編碼器反饋信號，能夠實現主軸的任意方向準確定位。

2．1 主軸固定定向裝置

在數控車床、數控鉆床、數控銑床以及鏜銑為主的加工中心上，由于特殊加工、自動換刀或者自動上料和下料，要求主軸每次停在一個固定的準確的位置上。所以主軸必須具有準停裝置。準停裝置分機械式和電氣式兩種。

(1)機械式主軸定向裝置

圖2所示機械準停裝置［7］的工作原理如下:準停前主軸必須處于停止狀態。當接收到主軸準停指令后，主軸電動機低速轉動，主軸箱內齒輪換擋使主軸以低速旋轉，時間繼電器開始動作，并延時4～6 s，保證主軸轉穩后接通無觸點開關1的電源，當主軸轉到圖2所示位置即凸輪定位盤3上的感應塊2與無觸點開關1相接觸后發出信號，使主軸電動機停轉。另一延時繼電器延時0．2～0．4 s后，壓力油進入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動，當定向活塞上的定向滾輪5頂入凸輪定位盤的凹槽內時，行程開關LS2發出信號，主軸準停完成。若延時繼電器延時1 s后行程開關LS2仍不發信號，說明準停沒完成，需使定向活塞6后退，重新準停。當活塞桿向右移到位時，行程開關LSl發出滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號，此時主軸可啟動工作。機械準停裝置比較準確可靠，但結構較復雜。

圖2 機械式主軸定向裝置

(2)電氣式主軸定向裝置

數控機床根據定向功能也采用電氣式主軸定向裝置［7］，如圖3所示，只要數控系統發出指令信號主軸就可以準確地定向。如常用磁力傳感器檢測定向的工作原理 (如圖3所示)是:在主軸上安裝一個永久磁鐵4與主軸一起旋轉，在距離永久磁鐵4旋轉軌跡外1～2 mm處固定一個磁傳感器5，當機床主軸需要定向停止時，數控裝置發出主軸停轉的指令，主軸電動機3立即降速，使主軸以很低的轉速回轉，當永久磁鐵4對準磁傳感器5時，磁傳感器發出準停信號，此信號經放大后，由定向電路使電動機準確地停止在規定的周向位置上。這種準停裝置機械結構簡單，磁體與磁傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達±1°，能滿足一般定向要求，而且定向時間短，可靠性較高。

圖3 電氣式主軸定向裝置

2．2 主軸任意定向裝置

機械準停裝置比較準確可靠，但結構較復雜。電氣式定向裝置機械結構簡單，磁體與磁傳感器間沒有接觸摩擦，準停的定位精度可達±1°，能滿足一般定向要求，可靠性也較高，但主軸定向位置取決于磁體安裝位置，如果定位角度改變需要改變磁體安裝位置，而且為了主軸停止時準確，主軸轉速不宜過高，這樣停止時間過長。而且以上兩種方式主軸停止的位置改變需要調整機械結構，故采用主軸任意定向裝置 (即:編碼器方式［8-9］主軸定向裝置)，工作原理如圖4，主軸電機1通過同步帶輪2和3減速，帶動主軸箱輸入軸4旋轉，通過主軸箱5減速，主軸箱輸出軸6通過同步帶輪7和8傳遞帶動主軸編碼器9旋轉，同步帶輪7和8的減速比為1∶1，編碼器信號A相和B相脈沖反饋到主軸控制單元，如圖5。

圖4 編碼器式主軸定向裝置

圖5 主軸控制單元

數控裝置用RS232方式與主軸控制單元通信，從而控制主軸實現S功能和定向功能。定向的角度由數控系統的系統參數任意設定，當數控系統執行主軸停止指令 (M05)，數控系統把停止指令M05和定向角度通過串行通信［9-10］(RS232)的方式發送給主軸控制單元，控制主軸電機從當前速度迅速降低到主軸定向位置。主軸在啟動、停止以及達到高速穩定的過程中，因為存在機械慣性，使主軸電機運行超調。所以，在控制主軸電機的過程中，保證加速度由小變大到達中間速度，再由大變小到達穩定速度，保證主軸機械慣性盡量小，平穩運行，故采用雙指數曲線加減速控制主軸電機。該功能由主軸控制單元完成，該單元包括:RS232通信模塊、PWM脈沖發送模塊、高速計算模塊和CPU模塊。由MAX232芯片完成電平轉換與數控裝置的RS232串口通信，實現數控裝置對主軸控制單元的監控;CPU模塊由STC12C5A60芯片完成，實現數據處理、邏輯運算、編碼器A相、B相和Z相的鑒相和計數以及主軸PWM控制;為了控制主軸電機，PWM脈沖發送模塊用C8050三極管把CPU發出的PWM脈沖和方向電流放大驅動主軸電機驅動器。主軸控制單元的關鍵內容就是實現主軸指數曲線升降速控制和主軸任意定向控制。

2．3 主軸升降速曲線數學處理

主軸速度升降控制是主軸調速的重要環節，電機升/降速不合理將會造成電機失步，產生沖擊及震蕩，影響電機準停及系統精度。目前多采用線性升降速規律或者指數升降速規律，在相同快速性或平穩性的條件下指數升降速規律的穩定性要優于線性升降速規律，為了實現較高精度的主軸準?？刂?，該系統主軸升降速選用指數升降速規律。指數升降速規律如圖6所示:在整個指數升降速過程中，其加速度也是按照指數規律變化的，它由大逐漸變小，在接近目標速度時，趨向于0，這樣可保證速度平穩地達到目標速度。指數升降規律函數表達式為:

圖6 指數升降速規律圖

式中:τ為時間常數，Toe為升速時間，T'oe為減速點時間。

在主軸數字控制過程中，因指數曲線運算復雜，在中斷周期無法完成指數算法的運算，因此通常需對指數升降規律函數表達式進行離散化處理:主軸實際速度升降曲線離散為階梯狀的，即主軸由啟動轉速上升到最高轉速，以及由最高轉速下降到啟動轉速這兩個過程的時間 (升速時間與降速時間)取一致。主軸轉速在500 ms內從2 r/min升速1 500 r/min，以t'(10 ms)為時間間隔對整個升/降速時間進行分段，將 t=t'×i(i=1，2，3，…，n)代入公式 (1)、(3)中，可得到升/降速段內遞增的時間點所對應的轉速值，經過脈沖周期與轉速的換算后可以得到遞增的時間點所對應的脈沖周期值。將計算出的脈沖周期值取整后如表1，該數據存放在主軸控制單元的存儲區，構成升速脈沖周期表與降速脈沖周期表，在實際的升降速控制過程中，實際速度對應的脈沖周期很有可能不在離散的節點上，采用插值算法［11-12］計算當前速度對應的周期。

表1 脈沖周期插值表

2．4 主軸控制單元對主軸升降速和定向的控制

在主軸控制單元中，主軸升降速控制和定向控制作為定時中斷服務子程序，當判斷出當前速度與目標速度不一致時就處理該中斷事件。主軸定時中斷升降速控制過程:先判斷升或降速，例如進入升速程序，計算目標速度對應的周期T目標，從脈沖周期插值表中查找插值區獲得Ti+1≤T目標≤Ti時，再用插值算法計算出T目標，將之作為PWM目標脈沖周期，按照脈沖周期插值表，逐次從當前周期遞減至T目標，加速結束;降速過程同理，不再贅述。

主軸控制如上所述是閉環伺服系統，主軸編碼器的A相、B相和Z相信號反饋到主軸控制單元，和PWM脈沖控制進行比較，完成主軸精確的位置和穩定的速度控制。主軸定向的流程圖如圖7所示，其中代號意義:

S1為主軸從當前速度按照設定升降速曲線和加速度降速直至停止，主軸所旋轉的角度和;

α為降速點，主軸按照一定的時間和降速曲線，從該角度旋轉到定向角度;

S'為角度和的修正值，考慮到機械慣性，讓主軸在低速旋轉S'角度，降速中的總旋轉角度為S1-S';

ΔS為每個中斷周期主軸旋轉的角度;

Si為主軸從降速點到當前位置共旋轉的角度;

αi為主軸當前角度;

α0為主軸定向的角度。

圖7 定向流程圖

主軸定向過程:當數控系統發指令M05到主軸控制單元時，主軸根據當前速度和設定的降速曲線計算降速直至停止在定向位置時所需的總角度S1和降速點α角度，并根據機械慣性估算出修正角度S'，修正總角度S1，修正角度根據現場多次試驗獲得。STAR-21ZP型柔性車削中心的兩個立式主軸的機械特性不同，前端主軸夾具比后端夾具小很多，試驗得知前者取0．5°，后端取5°。當主軸旋轉到降低點角度時，主軸開始降速，根據編碼器反饋的脈沖計算出上一次中斷周期主軸旋轉角度，累加為主軸已旋轉的角度Si，當Si≥S1時，主軸開始低速尋找定向角度α0，當αi=α0時，主軸停止，主軸定向運行完成。

3 結論

柔性車削系統結構龐大，控制復雜，主軸采用文中所述控制模式，便于實現系統模塊化設計，控制可靠，維護方便，適應性強，有利于柔性化制造。STAR-21ZP型柔性車削中心的主軸脈沖當量為0．1°/p，主軸定向的定位精度為±2脈沖當量，完全滿足主軸定向的要求;根據工件夾具的不同，為了在工件的上、下料抓取和放置時不產生機械手和夾具的位置干涉，需要改變主軸定向角度，這時只需在數控系統中修改主軸定向角度這一參數即可，數控系統在發出主軸停止指令到主軸控制單元時，告訴主軸控制單元主軸定向的位置，實現柔性車削中心任意角度精確定向的功能。

在柔性車削中心或者現代工藝復合的數控機床中，數控機床主軸還具有主軸C功能，即主軸軸向任意位置控制的功能，該功能的主軸控制模式和前述相同，采用主軸閉環伺服控制系統，位置控制算法和主軸定向基本相同，故在主軸定向軟件的基礎上修改為主軸C功能控制算法可以較快地實現。

【1】何高清，韓江，祖晅．柔性車削中心系統中獨立型PLC模塊的研究設計及應用［J］．制造業自動化，2011，32(12):73-75．

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【9】編碼器準停［EB/OL］．http://baike．baidu．com/view/3761240．htm．

【10】龔建偉，熊光明．Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐［M］．北京:電子工業出版社，2007．

【11】常用的插值算法［EB/OL］．http://www．doc88．com/p-14965880194．html．

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