基于i5OS數控系統的伺服尾臺控制功能在汽車零部件機加工行業的應用研究

鄧肖　萬德科　袁勇勇

摘 要：針對數控車床傳統的液壓尾臺效率低的問題，提出了一種伺服尾臺的控制方法，該方法基于i5OS數控系統為載體，設計與開發伺服尾臺控制系統。本文詳細闡述了UI人機界面的開發、PLC程序設計與編程、伺服驅動器參數的調整的方法，實現了對尾臺的位置、速度、扭矩的控制功能。結果表明，相比于傳統的手動尾臺和液壓尾臺，伺服尾臺能提高車床的加工效率、提升加工穩定性。

關鍵詞：數控車床 PLC 伺服驅動器 數控系統

Research on the Application of Servo Tail Table Control Function based on i5OS Numerical Control System in Auto Parts Machining Industry

Deng Xiao，Wan Deke，Yuan Yongyong

Abstract：Aiming at the problem of low efficiency of the traditional hydraulic tail platform of CNC lathes， a control method of servo tail platform is proposed， which designs and develops the servo tail platform control system based on i5OS numerical control system as the carrier. This paper elaborates on the development of UI human-machine interface， PLC programming and programming， and the adjustment of servo drive parameters， and realizes the control function of the position， speed and torque of the tail table. The results show that compared with the traditional manual tail table and hydraulic tail table， the servo tail table can improve the processing efficiency and improve the processing stability of the lathe.

Key words：CNC lathe， PLC， servo drive， CNC system

1 引言

數控車床主要應用在機加工金屬切削領域，傳統的數控車床一般會配置機床尾座，在長軸零件切削加工的過程中用于頂緊和固定零件的軸向方向，配合主軸卡盤將零件固定在加工位置，這樣一卡一頂的方式可以保證在常見的切削過程中的穩定性[1][2][3]。

當前市面上常用的尾臺分為兩種：一種是純手動尾臺，通過手動移動尾臺至工件，進行頂緊和松開；另一種是通過液壓驅動的方式進行頂緊工件，通過液壓站產生的壓力控制尾臺的前進后退，從而進行頂緊和張開。上述兩種尾臺，各自存在著明顯的缺點。傳統的手動尾臺，使用起來耗時耗力，手動操作起來安全性不能得到保證。液壓尾臺由于是液壓進行驅動尾臺裝置，所以尾臺的移動速度和頂緊壓力都不能得到可靠的控制，對于高精度的零件不能較好的固定，會影響加工精度和單件加工速度[4][5]。

在中國工業化道路走向高質量發展的今天，降低人力使用、節省成本、提高加工效率、提升加工穩定性是使用者最終的目標。所以誕生了一種伺服尾臺，該尾臺采用數控系統中的PLC進行控制，伺服驅動器和伺服電機作為動力源進行驅動，從而能夠實現調節臺尾的運行速度和扭矩的技術要求，實現高速高精的加工過程。

2 系統總體設計

本文介紹的伺服尾臺系統由機械部分和電氣控制部分組成[6][7]，本文主要介紹基于i5OS車床數控系統，設計與開發伺服尾臺控制系統，實現伺服尾臺的功能。

2.1 伺服尾臺機械部分

尾臺機械結構示意圖如圖1所示，機械結構由機械尾臺、滾珠絲杠模組、伺服電機組成[8]。絲杠連接軸與減速器通過聯軸器直連，伺服電機旋轉帶動減速機旋轉，減速機帶動絲杠旋轉，滾珠絲杠將絲杠的旋轉運動轉化為螺母座的直線運動，絲杠螺母帶動尾臺前后往復移動，臺尾本體往復直線運動頂緊、松開工件[9][10]。

2.2 伺服尾臺電氣控制部分

2.2.1 伺服尾臺的電氣控制系統架構

伺服尾臺控制結構示意圖如圖2所示，包括數控模塊、顯示操作模組、ethecat總線通訊、伺服驅動器、伺服電機、電機編碼器[8]。圖2伺服尾臺控制結構示意圖

顯示操作模組上進行編程控制、按鈕控制和參數設定，控制器進行運算后，發送和接受伺服驅動器的控制信號，進行實時控制運算，控制模塊集成了運動控制模塊和軟PLC模塊。

伺服驅動器和伺服電機接受控制器的指令信號，實現提供尾臺運行動力，并實時對尾臺的位置、速度、扭矩進行輸出和控制。

電機編碼器將數字量脈沖信號反饋給伺服驅動器。

Ethercat總線是整個控制系統的信息傳輸通道，負責將控制器的指令信息輸送給伺服驅動器，同時將信息反饋給控制器。

2.2.2 伺服尾臺工作原理

伺服尾臺前進或后退時為速度模式，頂緊工件時為扭矩模式[8]。

伺服尾臺在頂緊工件時，尾臺先以速度模式前進，頂住工件后，檢測到電機速度為0時，電機切換到扭矩模式。回退時從扭矩模式切換到速度模式，運行到回退點。伺服尾臺的運行過程見圖3所示。

3 關鍵技術與實現

伺服尾臺功能在i5OS數控系統上進行人機界面開發、PLC控制程序設計、伺服驅動器參數設置，實現對尾臺的位置、速度、扭矩的精準控制。

3.1 人機交互界面設計

在i5OS數控系統的UI上利用KIV功能塊組態設計伺服尾臺功能的人機界面，包含圖形說明區、狀態顯示區、參數設置區，如圖4所示，由于所有的被控數據都集中在i5OS數控系統中，所以人工可以通過數控系統的界面實現伺服尾臺狀態監控、參數設置的人機交互功能。

圖形說明區：通過圖形呈現尾臺結構、坐標、速度。

狀態顯示區：顯示尾臺位置、尾臺速度。

用戶參數設置區：設置尾臺位置坐標、速度值、限位、零點等參數。

3.2 伺服尾臺運動控制的PLC程序設計

該控制功能的實現是基于i5OS數控的軟PLC，實現了軟PLC與伺服尾臺的伺服驅動器參數信息交互、伺服尾臺的速度環算法、控制邏輯等功能。

3.2.1 PLC參數設定

經過上述的UI開發工作，已經把所有伺服尾臺的控制參數都對應在數控系統的參數池中，這些參數可以與軟PLC之間的讀寫功能。

數控系統與PLC之間的交互參數，包含位置坐標、速度、扭矩、誤差參數。PLC與伺服驅動器之間的交互參數，包括速度、扭矩、切換信號、運行狀態。PLC與外部電控之間的IO信號參數，包括啟動、停止、開關信號。

3.2.2 運動控制部分的PLC程序設計

伺服尾臺的運動過程分為加速、勻速、減速、停止，PLC程序編程采用的是ST語言形式，用來編寫控制伺服電機的算法程序、M指令、參數傳遞、IO控制等功能，保證伺服尾臺可以在被期望的狀態下實現運行。伺服尾臺運動控制核心算法公式如下：

正向移動運動控制算法實現的部分程序代碼如下：

（*正向移動加速*）

IF V_Theory

A_T：=A_SET;

V_T：=V_T+A_T*Tc;

S_T：=S_T+（V_T+V_T_Last）*Tc/2.0;

END_IF;

IF S_Target-S_T<（V_T*V_T）/（2.0*A_S） THEN S_T：=S_T-（V_T+V_T_Last）*Tc/2.0;

END_IF;

IF S_T

end_if;

IF V_T<0.0 THEN

V_T：=0.0;

END_IF;

（*正向移動勻速*）

IF V_T=V_S AND NOT（S_T=S_Target） THEN

A_T：=0.0;

V_T：=V_S; S_T：=S_T+（V_T+V_T_Last）*Tc/2.0;

END_IF;

IF S_Target-S_T<（V_T*V_T）/（2.0*A_SET） THEN S_T：=S_T-（V_T+V_T_Last）*Tc/2.0;

V_T：=V_SET; V_T：=V_T-（Tc-（S_SET-S_T-（V_SET*V_SET/2.0/A_SET））/V_SET）*A_SET;

IF V_T<0.0 THEN

V_T：=0.0;

END_IF; S_T：=S_T+（V_T+V_T_Last）*Tc/2.0;

END_IF;

（*正向移動減速*）

IF V_T>V_SET AND? NOT（S_T=S_Target）? THEN

A_T：=-A_SET;

V_Ty：=V_T+A_T*Tc;

IF V_T

A_T：=0.0;

V_T：=V_SET;

END_IF; S_T：=S_T+（V_T+V_T_Last）*Tc/2.0;

END_IF;

3.2.3 伺服驅動器參數設定

為了保證尾臺在安全可控的狀態下運行，伺服驅動器需要設置轉矩的限制幅度、轉速限制幅度和閾值、S曲線時間常數等參數。

3.2.4 操作與編程

設定“回退坐標”，“速度切換坐標”， “扭矩（頂緊力）”，“快移速度”和“接近速度”之后，用尾臺頂緊工件。頂緊位置坐標確定后，根據實際情況分別設置頂緊正/負誤差，驗證動作和參數設置是否滿足要求。

尾臺自動運行時，需要將控制尾臺的M指令與G代碼結合使用，尾臺的M代碼如下。

M32（尾臺前進）：尾臺前進頂緊工件，尾臺將以快速移動至速度切換坐標，再以接近速度緩慢頂緊工件，尾臺將按扭矩設定值輸出扭矩。

M33（尾臺后退）：尾臺快速后退至回退坐標。

調整扭矩值的NC程序代碼為WAITRUNOUT$PLI103 = ***。

4 伺服尾臺的實際應用與測試

4.1 伺服尾臺頂緊力測試

同時在相同型號的車床上，測量伺服尾臺與液壓尾臺頂緊力，并記錄數據。測量伺服尾臺扭矩從1NM到11NM時，伺服尾臺的頂緊力變化情況。對應相同的頂緊力的情況下，測量液壓尾臺輸入壓力從0.5mpa到4mpa時，液壓尾臺頂緊力的變化情況，如下圖5所示。

從數據分析可以得出，在調節壓力升高的過程中，伺服尾臺的頂緊力一直處于線性、平穩上升，伺服尾臺壓力可以最高達到3.85mpa并且可以精確調節、輸出穩定，而液壓尾臺在壓力達到3.5mpa以上時出現了不穩定，伺服尾臺可以調到更低的頂緊力，能達到的頂緊力范圍更寬、更穩定。

4.2 伺服尾臺運行速度測試

尾臺后退和快速接近工件的速度，常用設置為15000 以下（即 15m/min 以下）。

尾臺緩慢接近工件并接觸頂緊工件的速度，單位：mm/min，常用設置為500 以下（即 0.5m/min 以下）。

尾臺運行距離為300mm，速度切換坐標為10mm，當尾臺快移速度設置為9000，慢移速度設置為300時，尾臺的前進運行速度為加速、勻速、減速、勻速、減速、停止，后退運行速度為加速、勻速、減速、停止，經測試，伺服尾臺前進與后退的運行周期時間為2.5s；同樣距離情況下，液壓尾臺前進與后退的運行周期時間為12.5s。

從測試運行速度結果來看，伺服尾臺比液壓尾臺節省時間80%，提高了機床的使用效率。

因此，從上述伺服尾臺的頂緊力和運行速度測試中可以看出，相對于液壓尾臺，伺服尾臺的頂緊力變化更線性、準確、穩定、可控，運行速度更快。

5 結語

目前搭載伺服尾臺的智能車床已經廣泛應用在汽車零部件機加工行業，包括球籠、渦輪增壓器、新能源電機、汽車半軸等機加工行業。經過實際的應用，伺服尾臺能提高加工過程中的的效率、精度和穩定性。

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