基于PMAC2的全閉環控制螺紋磨床數控系統

李紅俠 葉利偉 蒙海軍

【摘 要】 介紹了一種新型螺紋磨床數控系統，對硬件、軟件的設計進行了分析。采用觸摸屏進行人機對話。采用PMAC2運動控制器，實現了邏輯和運動控制。機床Z軸、X軸采用全閉環控制，提高了控制精度。砂輪傾斜一定螺旋升角，對砂輪形狀投影在X、Z坐標平面內的圖形進行數學建模，現實了數控化軌跡修整。

【關鍵詞】 螺紋磨床 全閉環控制 PMAC2運動控制器 觸摸屏 伺服系統 軌跡修整

引言

螺紋磨床是一種高精度的加工機床，其砂輪修整多采用金剛筆或成型滾輪修整。其中金剛筆修整依靠操作技能保證修整質量。而成型滾輪修整，滾輪與砂輪接觸面大，修整表面光潔度不好，磨削不同的螺紋需更換不同的成型滾輪。國內也有進口美國德拉克DRAKE全智能機器人操作螺紋磨床，而國內大部分中小企業其維修技術力量薄弱，維護不便。因此，需要由中國制造智能化螺紋磨床替代進口。

隨著智能化的發展，越來越要求減少人工操作因素對產品質量的影響。而智能機床的基礎是機床精度及穩定性高，人為因素少，才能保證合格率。根據市場需求，研制了一種全閉環控制螺紋磨床的數控系統，提高了機床精度，砂輪數控化軌跡修整改善了修整精度，減少了人工操作的影響。

一、建立數控系統坐標系

1、機床結構簡介

在床身上有縱向和橫向導軌。縱向移動平臺Z軸、橫向進給平臺X軸。在X、Z軸上安裝有光柵尺，滾珠絲杠傳動。在Z軸上安裝有工件旋轉機構C軸和手動扳螺旋升角的滾輪機構。在X軸上安裝有手動扳螺旋升角的砂輪主軸機構。工件及砂輪人工裝卸。砂輪人工平衡。

2、機床坐標系：#1->180C #2->2000X #3->2000Z

二、數控系統的硬件系統

硬件簡介：如圖1硬件系統原理框圖，組成如下：

（1）運動控制器：其核心是美國Delta Tau公司的Turbo PMAC2系列的Clipper集成控制卡。它是一臺完整的、實時的、多任務的計算機。是針對工業自動化中控制要求而研發的控制系統。

（2）觸摸屏：選韓國M2I系列觸摸屏。具有多組編號歷史數據存儲功能，加工

某一種產品時只需選擇對應編號，則該編號內的數據自動調出。

（3）光柵尺：全閉環控制的核心部件是傳感器，其性能將決定控制系統的最終控

制精度。機床控制精度要求為0.005mm，選擇發格SY系列光柵尺的分辨率為：

0.0005mm。

（4）伺服系統：選用安川7系列伺服電機，電機配備高分辨率24bit編碼器。

三、Turbo Pmac2 運動控制器軟件系統

Turbo Pmac2 運動控制器系統軟件構成如下：

1、內置PLC功能：支持多程序運行，通過PLC程序實時監測設備運行狀態，并檢測和執行人機觸摸屏及操作面板發來的指令信號，其主要功能包括安全運行監控、數據實時計算、邏輯控制、操作面板控制、運動程序的控制。其中實時計算完成砂輪修整的自動補償：計算式X3=X2-P 其中P表示累計磨損量 X2表示修整前加工及修整起點X軸坐標，X3表示修整后加工及修整起點X軸坐標。而 P=P+S 該式表示每次砂輪修整后，磨損量累計計算一次。其中：P表示累計磨損量，S表示每次修整量。

2、固定功能運動程序：完成預先定義的運動，包括砂輪修整運動程序、螺紋對刀運動程序、螺紋加工運動程序、M代碼子程序、G代碼子程序。

3、變量定義：主要完成PMAC環境和功能的設置，包括I變量定義、M變量定義、坐標系及軸定義、絲杠螺距補償表定義。

四、軌跡修整-數學建模

螺旋升角下對砂輪需要的形狀在X、Z軸坐標平面內的投影圖形進行數學建模。

1、三角螺紋砂輪修形的數學模型：

三角螺紋砂輪的形狀為局部三角形。近似數學模型為：三角形高h不變，底邊d（砂輪厚度）變為原來的d/cosθ的近似三角形。θ表示砂輪的螺旋升角。h=（d/2）/tgα其中α表示砂輪的三角形砂輪頭半角。tgβ=（（d/2）/cosθ）/h= tgα/ cosθ ，β表示三角形砂輪頭半角投影在X、Z軸平面內的角度。

2、雙圓弧螺紋砂輪修形的數學模型：

雙圓弧螺紋砂輪形狀為局部雙圓弧。數學模型為：短軸（X軸方向）為圓弧半徑R，長軸（Z軸方向）為圓弧半徑R/cosA的雙橢圓曲線，如圖5。A表示砂輪的螺旋升角。按增量方式編程橢圓方程為：

將Z軸按0.002mm一步細分。每一步0.002進行直線查補（I變量Isx92=0每一步之間運動混合在一起），再進行多次while循環： Z（ΔZk） X（ΔXk），其中ΔZk=0.002 ΔXk按照橢圓方程求解如下所示：（其中k表示橢圓軌跡當前循環步數，k值范圍為：1…（r/COSA）/0.002）如圖橢圓在坐標內的第一象限圖為砂輪右側曲線：由橢圓方程解每一個細分后的點坐標如下：Z0=0 X0=R

Z1=0.002 X1=SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA） Z2=0.004 X2=SQRT（R*R-Z2*Z2*COSA* COSA）

…求得運動增量為：ΔZ1=0.002 ΔX1=（ SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA）-R）

ΔZ2=0.002ΔX2=（SQRT（R*R-Z2*Z2*COSA*COSA）- SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA）

…ΔZk=0.002ΔXk=（SQRT（R*R-Zk*Zk*COSA*COSA）- SQRT（R*R-Zk-1*Zk-1*COSA* COSA）

=（SQRT（R*R-（0.002*k）*（0.002*k）*COSA*COSA）-SQRT（R*R-（0.002*（k-1））*（0.002*（k-1））*COSA*COSA）

結論：該數控系統全閉環控制，控制精度高穩定性好。采用激光干涉儀進行機床精度檢測結果為：X軸行程100mm定位精度0.0026mm。Z軸行程300mm定位精度0.0029mm。人機對話圖文并茂直觀方便。砂輪修整數控化軌跡修整，大大的減少了人工對修整的影響。但人工上下料，砂輪人工平衡。仍需提高智能化水平。滾珠絲杠傳動方式，絲杠易磨損。以后向直線電機發展，響應快，沒有反向誤差。

【參考文獻】

[1] 張建民.機電一體化系統設計[M].北京：高等教育出版社，2000：315-336.

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[3] DELTA TAU Data System，inc.Turbo Pmac2-Eth-Lite硬件參考手冊[Z]，2012