臺達數控系統的磨溝機自動控制系統

褚小磊，楊 明，劉建龍

（南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

0 引言

孔加工是金屬切削加工中最重要的工序之一，用于鉆削的鉆頭的生產制造和加工顯得尤為重要。鉆頭螺旋槽一般采用專用設備——磨溝機進行加工。臺達數控系統可作為直柄麻花鉆螺旋槽加工的磨溝機自動控制系統。

1 總體方案

數控系統主要有步進電機構成的開環系統、異步電機或直流電機和光柵測量反饋構成的閉環控制系統、交／直流伺服電機以及編碼器反饋組成的半閉環控制系統3種控制方式［1］。

開環系統由數控系統給步進電機發送進給指令脈沖，經功率放大和驅動控制電路驅動傳動機構，系統精度只與步進系統和傳動機構有關，因而精度較低。

閉環系統采用光柵等高精度位置檢測裝置實時對位置信號反饋，具有很高的控制精度，但在結構上比較復雜，成本很高，設計和調試比較煩瑣，一般使用在精密加工設備。

半閉環系統相比開環系統具有較好的精度，與閉環系統相比具有很高的經濟性優勢。

因此，經過以上方案對比和加工需求的分析，本系統選用半閉環的控制方式，即交流伺服電機和編碼器反饋，是一種較為經濟合理的系統構成。

磨溝機的數控系統是一種軌跡控制系統，從本質上講，是以各運動軸的位移量為控制對象，使各運動軸協調運動的自動控制系統。系統結構如圖1所示。

圖1 磨溝機自動控制系統結構

系統由數控系統、伺服系統、主傳動系統、傳感檢測裝置和機床輔助裝置等部分組成。

a.數控系統包括臺達H4C-M系統；集成主板、按鍵和顯示屏幕，內嵌式PLC。

b.伺服系統包括伺服電機和伺服驅動器以及編碼器連接線纜。

c.主傳動系統包括主軸電機、聯軸器和滾珠絲杠副。

d.傳感檢測裝置包括伺服電機的編碼器，X，Y，Z軸的機械原點接近開關；X，Y軸各自2個正負限位開關，自動送料的推桿左右各1個接近開關，料盒前后各1個接近開關。

e.標準I／O接口板包括24個輸入點，16個輸出點。

f.機床輔助裝置包括液壓系統、冷卻系統和夾緊裝置等。

2 系統硬件

2.1 數控系統選擇

臺達系統可實現多軸聯動控制、高速計算控制、高速點位運動控制，配合編碼器或光柵，實現半閉環或閉環控制，控制精度可達0.001mm。臺達數控系統提供高性能運動控制，豐富的人機界面功能、操作人性化、穩定度高，滿足高速切削的需求，架構上具有良好的彈性，方便安裝與提升維護。系統選用的型號是中達電通PUTNC系列。

2.2 伺服系統

進給伺服系統是連接數控系統和數控機床的重要組成部分。數控系統給伺服系統發送指令，信號經過放大轉換處理，驅動數控機床上的工作臺或刀架運動，將運動結果反饋并與輸入指令相比較，直到與輸入指令之差為零［2］。進給伺服系統的原理如圖2所示。

圖2 進給伺服系統原理

2.2.1 伺服系統選擇

伺服電機系統具有精度高，有光電型旋轉編碼器，力矩范圍大，比較平滑，閉環反饋的特點，系統中選用的是臺達公司研發的ASDA-B2系列交流伺服電機和配套的伺服驅動器。臺達ASDA-B2系列伺服驅動器內置泛用功能應用，減少機電整合的差異成本，簡化配線和操作設定，大幅提升了電動機尺寸的對應性和產品特性的匹配度，該系列支持17bit（160000ppr）高分辨率編碼器，能夠滿足機器設備的高精度定位控制及平穩低速運轉的應用需求。

在伺服電機的選擇上，由于各個軸不一樣，所以選擇了臺達ECMA系列的不同電機。各個軸需要考慮的不同情況：X軸電機主要承擔軸向進給驅動，工作中只受到進給過程中與磨削砂輪的切削力；垂直軸Y軸承重比較大，并且滾珠絲杠壓力角小不能自鎖，為了避免在Y軸停止運動情況下，發生工作臺下滑的現象；旋轉軸Z軸在X軸進給的同時帶動X 軸轉動，工作中受到的磨削力比較大；砂輪修整A軸只負責砂輪的修形，因為修整量比較小，所承受的負載也不大。

2.2.2 伺服驅動器控制方式

系統選用半閉環控制方式的基本構成如圖3所示。

圖3 半閉環控制伺服系統構成

伺服驅動器是CNC系統和伺服電機的連接橋梁，伺服驅動器將CNC系統發出的信號放大為可驅動伺服電機動作的脈沖信號。伺服電機本身帶有旋轉編碼器，編碼器將伺服電機的動作速度及角位移量反饋經過伺服電機驅動器傳遞給CNC系統，然后系統對編碼器的傳遞值進行相應的處理。同時伺服驅動器還具有保護伺服電機的功能［3］。

伺服驅動器的控制主要分為位置控制、速度控制和扭矩控制3種控制方式。“位置”、“速度”、“扭矩”是伺服系統由外到內的3個閉環控制方式［4］。

在速度控制方式下，CNC系統實現位置控制，伺服系統完成速度控制和扭矩控制，控制回路通過檢測編碼器的信號進行負反饋PID調節，然后通過D／A輸出。在系統中，驅動器電路將輸入的模擬電壓轉換成相應的速度值，然后對伺服電機進行控制，并進一步驅動機械傳動裝置。速度控制很好得保證了速度的穩定行，減小了中間傳動機構的誤差，提高了系統定位精度［5］。

2.2.3 伺服驅動器控制電路

HUST H4數控系統采用脈沖方式直接控制各軸相應的進給運動，電機控制部分包括進給軸X，Y，分度軸Z，砂輪修整軸A。X，Y，Z，A軸分別選用了臺達伺服電機和配套的伺服驅動器。其驅動器外圍電路實際接線示意如圖4所示。

驅動器外圍接線主要包括電源、斷路器、接觸器、I／O連接、伺服電機電源、編碼器接口和回生電阻組成。其中，外部電源包括主回路電源和控制回路電源，I／O連接負責驅動器與數控系統之間輸入輸出信號的傳遞，回聲電阻避免電機剎車所產生的回灌能量造成故障。伺服驅動器的CN1接口一部分與數據集中器相連，另一部分送至數控系統接口；CN2接口接收伺服電機編碼器反饋信號。驅動器還可以通過相關軟件與PC機通信，進行驅動器參數設定和電機特性的在線測試。

圖4 伺服系統外圍接線

3 軟件設計

軟件編寫主要是在臺達內嵌式PLC平臺上開發了工件自動加工的程序，實現螺旋槽的自動磨削。內嵌式PLC是數控機床生產廠家根據機床功能規劃對數控系統進行的二次開發，其作用是用來控制機床接口和CNC接口信號的流程順序，進而控制機床的動作。

自動加工工件的程序包括系統坐標軸和變量的初始化、新砂輪修整、加工過程中數據計算、工件的傳送和加工過程中的砂輪修整［6］。整個自動加工的流程如圖5所示。

首先是程序的初始化，程序的初始化是將系統的參數數據、進給軸的坐標值讀入，同時將加工過程中用到的內部繼電器和計數器復位，在工件加工之前首先判斷是不是新砂輪，如果是新砂輪，磨新砂輪至指定位置，如果是砂輪用完了不能繼續加工要進行相應處理，正常加工之前要對砂輪進行修整。修整完砂輪之后，計算加工數據，工件的螺旋溝的加工是系統采用三軸聯動的工作方式來實現的。其中，X軸進給控制麻花鉆的溝長，Y軸進給位移量控制鉆頭的芯厚和增量，Z軸進給位移量為系統計算出的工件在加工過程中需要旋轉的角度。計算得到加工數據之后進行送料，加工等工序，加工完了再檢測砂輪是否要修整，不要修整就開始下一個工件的加工，否則修整砂輪。

圖5 數控加工流程

4 控制系統功能分析

針對磨溝機的加工特性，控制系統的主要實現的功能有：

a.系統操作規劃。操作界面主要包括開機畫面、原點模式、手動模式、自動模式和報警畫面。

b.運動控制。磨溝機的運動主要是由3個坐標軸1個滾輪軸以及主軸配合完成的。數控系統根據分析處理加工程序得到的加工命令集和數據集，控制各運動軸協調運動完成鉆頭加工。其中，X，Z軸聯動合成螺旋運動，Y軸控制砂輪的磨削深度和修正量。運動控制還包括X，Y，Z3軸聯動的直線插補運動以及其中任意兩軸的圓弧插補運動控制。

c.速度控制。在主仆模式下，一軸選定為主動軸，其他軸為追隨軸。單節與單節之間的連接，主動軸和追隨軸馬達速度不會歸零，而是維持在進給率的速度。且在此模式下，馬達以“S”形加減速方式運行。速度前瞻處理，即在加工方向突然改變前降低進給速度，從而避免或減少對機床運動部件產生的沖擊。

d.參數化界面。因鉆頭的尺寸不同，對應芯厚和增量的參數值也會有差異。為提高系統的柔性，設計參數化界面。操作人員將對應尺寸的加工參數輸入，即可完成該尺寸鉆頭的自動加工，無需一種尺寸對應一種程序，也省去更換機床部件減少工作量。

e.新砂輪功能。在加工過程中，更換新砂輪時，為了避免重復執行指令修整新砂輪，系統設計了新砂輪功能，在第1次修整好砂輪后將參數坐標設置在參數界面，隨后的新砂輪修整只需按下系統對應的功能鍵就能自動完成新砂輪的修整，從而避免了設備的拆裝，節約了加工時間。

5 結束語

系統選用臺達數控系統，配套伺服系統采用半閉環方式控制機床三軸聯動，將直線進給運動和旋轉分度運動結合完成了螺旋槽的加工。在數控系統內嵌式PLC平臺上編寫了機床運動功能程序，開發了人機交互界面和數控加工程序，配合機床輔助裝置完成系統的自動運行。磨溝機自動控制系統已在車間投入20臺進行加工生產，經過半年時間的運行，相比老式磨溝機，加工效率和合格率有了很大提升，勞動強度明顯減少。

在實際加工過程中，車間的電源不穩定，容易產生干擾，因此，系統還須研究抗干擾的防護措施，將外界的干擾降到最低，使系統穩定運行。系統還可向高精度、高速化和高性能的方向發展，使進給速度、主軸轉速實現高速化。并且具有較高的加減速度。另外，采用智能感知和控制技術，將作業規劃智能技術、智能化操作和加工工藝專家系統集成在數控系統中，促進建模、加工、檢測和裝夾操作一體化。

［1］龔德明，李 松.半閉環數控系統控制方法［J］.機電工程技術，2010，39（8）：42-43.

［2］機床設計手冊編寫組.機床設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［3］聶學俊，夏 雪，熊光潔，等.數控機床進給伺服系統研究與仿真［J］.北京工商大學學報，2006，24（1）：19-22.

［4］鄧力凡.數控機床伺服系統的幾個關鍵技術問題［J］.機械工程師，2010，（9）：98-101.

［5］羅永順.機床數控化改造實例［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［6］Jhnso D G.Programmable controllers for factory automation［M］.New york：Marcel Dekker Inc.，1987.