1 cnc八轴控制
原八轴的控制
现八轴的控制
plc控制轴改为cnc控制轴的一些特殊性
原控制系统是日本fanuc-15m系统，其cnc部分直接控制两个主轴(一个电动机驱动两个主轴，即c轴)和x、y、z、a四个轴，并通过plc和stama公司自制的接口控制回转工作台(c2轴)、刀库轴(q轴)和直线运动式机械手轴(v轴)。plc共占用i/o点为288/192点。c2轴(回转式工作台)分为两个工作区，在一个工作区进行加工的同时，另一个工作区可以装卸工件，两个工作区每循环一次就可以加工出八个工件。另外原机床的换刀有其特殊性，由q轴(刀库轴)、v轴(直线式机械手轴)和z轴等三个轴共同配合完成换刀动作。其过程是：当有换刀指令时，q轴转到正确刀位，v轴带着机械手到刀库取刀，再移动到主轴端，机械手的另两爪抓住主轴上的两把刀，然后通过z轴向上运动来拔刀，机械手转动180°以后，z轴又下降将新刀插入主轴，v轴再回到刀库将换下的刀插入刀库原位置。所以换刀全过程涉及到三个轴的运动和机械手的各种动作，以及大量的电磁阀和位置检测元件，整个动作比较复杂。
图1
图2
由于fanuc-15m系统是对我国禁运的产品，经调研论证后，我们选用了四轴联动的siemens-840d数控系统。主轴和x、y、z、a轴直接由cnc控制，可*达到原来的技术指标。而原plc控制的c2、q、v三轴，也改为cnc直接控制。由于选用的西门子标准操作面板不占用外部i/o点，同时伺服电动机内部有专用的位置编码器，节约了大量的i/o点，所以plc控制占用的i/o点减少到192/160点。实现了原机床的plc功能，优化了plc程序，改善了原机床的功能。具体方法如下述。
q轴的控制方法 原q轴的控制框图如图1。当cnc发出换刀指令时，通过plc送出数字指令和各控制信号，通过接口电路转化为模拟指令，再通过西门子驱动器驱动电动机转动。随刀库同步转动、且对应56把刀的编码器enc2将刀号的粗位置反馈回plc，达到粗定位的目的，然后再由精密电位器：来精确定位，进而进行后续的换刀工作。在此机械传动链中，以上两个位置传感器均不安装于电动机内。机械传动链示意图如图2。
经过多级齿轮和蜗杆、蜗轮传动，电动机与编码器(enc2)的传动比为157.357/1，而电动机与精密电位器(r)的传动比为2.81/1，均不为整数。与系统配套的伺服电动机内装有增量编码器，但用来确定刀具位置就不合适了，因为其没有一一对应的关系。在分析了整个刀库传动机构和编码器特性后，我们采用了外置增量式编码器，安装于电位器r的位置，即编码器与刀库的传动比为56:1，这样就可以像x、y、z、a轴一样，方便地回到参考刀位(定为1号刀)，且每一刀位又和编码器有一一对应关系，这种对应精度又因cnc的128倍频的作用而胜于原精密电位器定位，从而达到了粗精定位两种目的，实现了刀库轴的功能。
v轴的控制方法 原控制框图类似于q轴控制图，只是没有电位器精定位。v轴位置由编码器(enc2)来检测。本次改造中v轴的控制也采用直接由cnc控制。由于v轴藏于主轴立柱腔内，不便返回参考点，必须要有位置记忆，因此我们选用了与840d配套的位置编码器来覆盖v轴的全行程，再配合西门子电动机内置位置编码器共同完成v轴的精确定位，达到的控制精度比原来的高。
图3
c2轴的控制方法 c2轴原电气控制精度不高，其精度是由齿盘啮合来保证的。该工作台在0°和180°之间来回转动，控制框图如图3。其位置由0°和180°点上的两个限位开关检测。原理是：cnc发出工作区交换指令后，由plc译码产生驱动指令，使工作台升起。再经接口板、驱动器驱动电动机按预定方向转动，由多个开关提供电动机需加速、减速和工作台到位与否的信号。工作台到位后，电动机停，工作台降下，完成一次转换过程。本改造中，该轴也改由cnc直接控制的西门子数字伺服电动机来完成。具体的动作过程和原来差不多，不同的是：①由于使用了数控伺服轴，且电动机内配有内装式增量编码器，要正常工作，必须开机回参考点，为了不增加新的元器件，对plc程序作了特殊的编制，使开机后计算机根据开关状态自动设置坐标值，完成工作台不动作情况下的模拟回零操作。②它虽是作旋转运动，但由于机械结构限制，只能在0°～180°之间来回转动，类似于直线轴的运动特性。所以将其为直线轴，方能可靠地限制其在0°～180°之间转动，避免了旋转轴可能产生的360°转动，保证了工作台的可靠性。
原plc控制轴q、v、c2 传动机构间隙较大，对位置精度要求不高，因此主要用速度环来控制。改为cnc 控制以后，既有速度环，又有位置环及实时监控，容易产生位置偏差和速度偏差报警，这就增加了调试难度。在改造中，我们一方面加强机械传动链的刚性，另一方面又用加大间隙补偿，加大动静态位置检测公差，适当增大增益和到位检查时间，降低加速度和速度等参数设定办法加以克服。
图4
v轴结构不仅间隙大，而且弹性变形大，其结构示意图如图4。其机械手臂约长640mm，所以v轴在运行中的弹性变形通过丝杠随时影响着位置检测，使该轴在快速运动中容易产生振荡。根据这一特点在调试中要适当减小增益，降低速度，增加到位检测时间，方能保证系统稳定。图4
在换刀过程中，要涉及到q、v、z三轴运动。v、z轴之间配合问题不大，q、v轴的配合却存在一定问题，这是因为机床有双主轴，机械手每次要从刀库抓两把刀，两刀之间又相隔三把刀，加之q、v轴的弹性变形，所以机械手从刀库取刀时，易产生干涉而报警，除了作上面调试外，还在plc程序中设定分段的变速运动以克服两轴之间的干涉，保证了换刀可靠性。
2 改造效果
经机械大修和以上控制系统的重新设计改造，恢复了原机床的所有功能，各项技术指标均达到stama公司出厂时的要求：如x、y、z快移速度达到22m/min，进给速度达到1～10000mm/min，主轴转速6000r/min，还可任意角度定位。x、y、z的定位精度为6.546μm、8.254μm、9.621μm( 出厂指标为≤12μm)，重复定位精度为3.15μm、3.533μm、3.25μm(出厂指标为≤8μm)。系统控制稳定可靠，机床操作安全方便。