基于極坐標(biāo)的搖臂鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任曉虹，王 軍，張秋生

REN Xiao-hong1, WANG Jun2, ZHANG Qiu-sheng2

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168；2.沈陽(yáng)景宏機(jī)械有限公司，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

目前，大型回轉(zhuǎn)類零件和管板類零件的加工需求越來(lái)越多，要求越來(lái)越高。以往這類零件的加工均采用直角坐標(biāo)式數(shù)控機(jī)床，通過(guò)3個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工。但是，直角坐標(biāo)式數(shù)控機(jī)床在加工大型回轉(zhuǎn)曲面、圓周分度精度要求較高的孔系和一些具有特殊要求的零件時(shí)，存在著加工精度差、加工效率低以及編程不方便等問(wèn)題。

基于極坐標(biāo)理論的數(shù)控?fù)u臂鉆床，運(yùn)用“極坐標(biāo)控制”的設(shè)計(jì)思想和方法，其進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由數(shù)控工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)和X 軸的徑向運(yùn)動(dòng)、Z軸的縱向運(yùn)動(dòng)，代替直角坐標(biāo)系的三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)零件進(jìn)行鉆削和銑削加工，其加工精度好，效率高，編程方便。本文以可編程控制器PLC為控制核心的極坐標(biāo)式數(shù)控鉆銑復(fù)合機(jī)床為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。

1 加工要求

1.1 管板類零件的加工

管板被廣泛用于列管式換熱器、鍋爐、壓力容器、汽輪機(jī)、大型中央空調(diào)等行業(yè)。大型管板的特點(diǎn)是管孔數(shù)量多、密、孔徑小、深、精度和光潔度要求高，這就對(duì)管板加工提出了很高的要求。以往加工管板的工藝流程為：劃線→打洋沖→打中心孔→檢驗(yàn)→鉆孔。這種方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工序多、每件加工需要百余個(gè)工時(shí)，而且加工精度低，經(jīng)常造成工件報(bào)廢和返工。因此管板加工的精度和質(zhì)量極大地影響著以上所列化工、熱能設(shè)備的組裝和使用性能。

本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)管板加工數(shù)控化的要求。根據(jù)搖臂鉆床結(jié)構(gòu)和功能，在管板類零件加工過(guò)程中，機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和主軸箱的直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)進(jìn)給和任意角度的分度，精確地對(duì)被加工孔的位置進(jìn)行定位，保證管孔間距和管徑公差、垂直度、光潔度等加工要求。

1.2 大孔或凸輪的銑削加工

對(duì)于具有較大尺寸的孔，由于鉆頭直徑的限制，不能通過(guò)鉆削一次加工到所要求的尺寸，通過(guò)數(shù)控工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)與主軸箱的徑向移動(dòng)，在極坐標(biāo)插補(bǔ)模式下可以用銑削加工方法完成；在平面凸輪的輪廓加工中，回轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)下的極角改變，直線移動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)極徑改變，通過(guò)二者的聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)功能完成凸輪的銑削加工，擴(kuò)大了搖臂鉆床的加工能力和生產(chǎn)效率。

1.3 一次安裝加工上下面的倒角

在一些大型回轉(zhuǎn)類零件，如法蘭類零件的加工中，孔或內(nèi)外圓柱面加工后，需要對(duì)上下面倒角，如選擇合適的刀具（如鏜刀），仍然采用極坐標(biāo)插補(bǔ)控制，通過(guò)銑削功能，在一次裝夾中即可完成上下兩面的倒角加工，大大減少了用于工件翻轉(zhuǎn)而損失的加工精度和裝夾時(shí)間。

2 數(shù)控?fù)u臂鉆床運(yùn)動(dòng)分析和控制電路設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)加工要求，數(shù)控?fù)u臂鉆床應(yīng)具備以下基本功能：1）主軸箱在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在搖臂上左右移動(dòng)；2）工作臺(tái)為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)同步帶輪和一對(duì)精密蝸輪蝸桿副傳動(dòng)可繞其軸線精確地回轉(zhuǎn)；3）鎖緊搖臂后，主軸軸心線和工作臺(tái)軸心線在同一平面上。

機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于極坐標(biāo)方式控制的搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)可描述為：在底座上安

圖1 搖臂鉆床結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分布示意圖

裝數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)做回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(C軸)，主軸箱由伺服電機(jī)帶動(dòng)在搖臂上做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（X軸），刀具在主軸上一邊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一邊做縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(Z軸)。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 控制要求

搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多，為了簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置，采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，分別實(shí)現(xiàn)主軸正反方向旋轉(zhuǎn)、主軸縱向進(jìn)給、主軸箱在搖臂上徑向移動(dòng)，數(shù)控工作臺(tái)正反方向回轉(zhuǎn)、搖臂升降與夾緊等。

1）主軸的旋轉(zhuǎn)和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均為主軸的運(yùn)動(dòng)，分別由兩臺(tái)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了適應(yīng)多種形式的加工要求，主軸（刀具）的旋轉(zhuǎn)應(yīng)有較大的調(diào)速范圍，因此采用交流變頻器驅(qū)動(dòng)控制；Z軸主要做加工進(jìn)給控制，故選擇交流電動(dòng)機(jī)及交流變頻器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具的縱向切削深度控制和進(jìn)刀/退刀控制。

2）數(shù)控工作臺(tái)（C軸）要求能正反方向回轉(zhuǎn)并與X軸實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)及交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制。

3）主軸箱沿?fù)u臂導(dǎo)軌的徑向（X軸）移動(dòng)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制。加工時(shí)，先由定位機(jī)構(gòu)將搖臂定位在與工作臺(tái)中心線重合的X軸線上，通過(guò)控制程序?qū)崿F(xiàn)X軸與C軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

4）搖臂的升降與夾緊均采用交流異步電動(dòng)機(jī)控制，要求能正反方向啟停。搖臂的上、下極限位置設(shè)行程開關(guān)保護(hù)。

本系統(tǒng)選用南京埃斯頓EDC系列的EDC-08APE、EMJ-08APA21型交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，日本安川的CIMR-F7B43P7型變頻器。

2.2.2 PLC外部電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求計(jì)算出I/O點(diǎn)數(shù)，其中：輸入26點(diǎn)、輸出20點(diǎn)。根據(jù)確定的I/O點(diǎn)數(shù)，并考慮留有一定的裕量，選擇西門子S7-200 CPU226型PLC，其主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為24/16，晶體管輸出。選擇一個(gè)輸入/輸出擴(kuò)展模塊EM223（24V DC輸入/24V DC輸出）和一個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊EM232（2路模擬量輸出）。

圖2 為搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC外部電路原理圖。

圖2 PLC外部控制電路原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于極坐標(biāo)控制的鉆銑復(fù)合加工機(jī)床，其控制程序的設(shè)計(jì)思想是根據(jù)鉆削和銑削加工特點(diǎn)建立的。在位置控制模式下，采用角度分度控制的方法，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)當(dāng)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這時(shí)旋轉(zhuǎn)軸具備了進(jìn)給坐標(biāo)的功能，即C軸和X軸的聯(lián)動(dòng)控制基本等同于直角坐標(biāo)中的X軸和Y軸的聯(lián)動(dòng)控制。

3.1 極坐標(biāo)控制原理

3.1.1 鉆削加工

鉆削加工是通過(guò)C軸和X軸的運(yùn)動(dòng)，使刀具精確地定位在孔的坐標(biāo)位置上，然后在Z軸方向進(jìn)行鉆進(jìn)給。程序設(shè)計(jì)時(shí)用直角坐標(biāo)X、Y計(jì)算孔或點(diǎn)的位置，然后將其轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)ρ、θ。主軸定位在孔的坐標(biāo)位置后，配之以鉆頭上下(Z向)直線進(jìn)給，完成鉆、擴(kuò)、絞孔的加工。

3.1.2 銑削加工

極坐標(biāo)控制下的銑削加工主要是C軸的回轉(zhuǎn)和X軸直線移動(dòng)之間的插補(bǔ)控制。加工時(shí)，多數(shù)情況下被加工孔的中心與工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心不重合，但通過(guò)控制工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)，總能使孔的中心線與X軸線重合。由于銑刀始終在X軸線上來(lái)回移動(dòng)，所以要求工作臺(tái)必須正反往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。無(wú)論工作臺(tái)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，孔中心點(diǎn)總是沿著某一圓弧軌跡移動(dòng)，工作臺(tái)每回轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ，刀具就移動(dòng)一段距離，即X軸與C軸存在 的關(guān)系。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于極坐標(biāo)控制的軟件功能是對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，也就是通過(guò)控制電路對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使機(jī)床的各坐標(biāo)軸按照 插補(bǔ)關(guān)系運(yùn)動(dòng)，從而使控制系統(tǒng)完成預(yù)定任務(wù)。

軟件系統(tǒng)按照不同功能設(shè)計(jì)成公用子程序、回原點(diǎn)子程序、手動(dòng)程序、自動(dòng)程序等，各種工作方式由方式選擇開關(guān)通過(guò)PLC的輸入觸點(diǎn)I2.5～I(xiàn)2.7進(jìn)行選擇。主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 公用子程序

當(dāng)系統(tǒng)上電后SM0.0一直為“ON”狀態(tài)，無(wú)條件地執(zhí)行公用程序。公用程序用于處理在各種工作方式下都要執(zhí)行的任務(wù),如設(shè)置原點(diǎn)條件和必要的初始狀態(tài)以及處理不同工作方式之間的相互轉(zhuǎn)換等。

3.2.2 回原點(diǎn)子程序

圖3 主程序結(jié)構(gòu)

回原點(diǎn)主要是對(duì)主軸箱進(jìn)行回零操作，系統(tǒng)上電后，通過(guò)回零操作使主軸箱在X軸方向處于原點(diǎn)位置、Z軸方向在上限位開關(guān)處，為搖臂鉆執(zhí)行加工任務(wù)做好準(zhǔn)備。

3.2.3 手動(dòng)程序

在機(jī)床調(diào)整和安裝工件時(shí)，通常執(zhí)行手動(dòng)程序控制主軸的左右、上下移動(dòng)，工作臺(tái)的正反方向回轉(zhuǎn)，搖臂的升降、夾緊等。為了保證系統(tǒng)的安全,在手動(dòng)程序中設(shè)置了一些必要的連鎖，如搖臂升與降的互鎖，主軸箱左右行的互鎖，工作臺(tái)正反向回轉(zhuǎn)之間的互鎖等,以防止功能相反的兩個(gè)輸出同時(shí)為ON；用限位開關(guān)SQ1、SQ2限制搖臂升降的范圍，用SQ3、SQ4限制主軸箱左右移動(dòng)范圍、用SQ5、SQ6限制主軸上下移動(dòng)的距離等，使搖臂鉆各個(gè)執(zhí)行部件都在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

3.2.4 自動(dòng)程序

自動(dòng)程序用于機(jī)床正常加工過(guò)程，主要包括主軸速度控制模塊、X軸和C軸插補(bǔ)模塊、Z軸進(jìn)給控制模塊等。零件加工程序在PC機(jī)上編程后經(jīng)RS-232數(shù)據(jù)通信接口傳送到數(shù)控系統(tǒng)，就可進(jìn)行加工。

1）主軸速度及旋轉(zhuǎn)方向控制

主軸轉(zhuǎn)速由程序中S值設(shè)定并存入指定存儲(chǔ)器地址，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后，以模擬量信號(hào)形式送到主軸變頻器的信號(hào)輸入端；主軸旋轉(zhuǎn)方向指令由PLC的輸出信號(hào)端Q0.4、Q0.5送到變頻器的S1、S2口，當(dāng)Q0.4=“1”、Q0.5=“0”時(shí)主軸正轉(zhuǎn)，反之主軸反轉(zhuǎn)。

2）Z軸進(jìn)給控制

Z軸的縱向進(jìn)給量是一個(gè)給定值L（由零件圖給定），它是通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后，送到Z軸變頻器的模擬量信號(hào)輸入端，作為刀具在縱向的切削深度，加工時(shí)刀具到達(dá)該值后，其縱向進(jìn)給停止，刀具返回。程序設(shè)計(jì)時(shí)是通過(guò)高速計(jì)數(shù)器對(duì)Z軸伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將此計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成刀具實(shí)際移動(dòng)距離L'，當(dāng)L'= L時(shí)，斷開Z軸變頻器的模擬量輸入信號(hào)，縱向進(jìn)給停止Q0.6=“0”，刀具退回時(shí)令Q0.7=“1”。

3）X軸與C軸插補(bǔ)控制

無(wú)論是管板類零件的鉆削加工，還是大孔徑零件或平面凸輪的銑削加工，X軸與C軸都需要以極坐標(biāo)方式控制。程序設(shè)計(jì)中，用脈沖輸出指令（PLS）和設(shè)置相關(guān)控制字，分別從Q0.0和Q0.1口輸出高速脈沖，對(duì)X軸和C軸伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制，由Q0.2或Q0.3控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向（如圖2所示）。鉆削時(shí)主要做孔的位置控制，X軸和C軸可以聯(lián)動(dòng)；銑削時(shí)X軸和C軸需要按推出的插補(bǔ)關(guān)系 進(jìn)行位置控制，使得數(shù)控工作臺(tái)每回轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ，X軸在徑向方向就移動(dòng)一個(gè)距離，角度θ細(xì)分的越小，插補(bǔ)精度越高。

工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工，不僅能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)進(jìn)給，同時(shí)也能完成任意角度的分度。由數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)角位移與導(dǎo)軌的直線位移建立的極坐標(biāo)系，突破了以往平面曲線、曲面加工的直角坐標(biāo)進(jìn)給模式，在程序設(shè)計(jì)中只要將圖紙中的尺寸標(biāo)注從直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)即可，這對(duì)于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)極易實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

針對(duì)大型回轉(zhuǎn)類、盤類零件研制的數(shù)控?fù)u臂鉆機(jī)床,在極坐標(biāo)條件下加工管板類、法蘭類及平面凸輪等零件較普通搖臂鉆床具有定位精確、加工精度高、加工效率高等優(yōu)勢(shì)。基于極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)控制的搖臂鉆床其機(jī)械設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)，控制算法簡(jiǎn)單，由于作為核心控制器的PLC具有豐富的指令功能，在程序設(shè)計(jì)中很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算和機(jī)床的邏輯控制及位置控制。

機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分度和定位，其定位精度由傳動(dòng)部件和控制系統(tǒng)決定。通過(guò)在Z3050X16(W)型搖臂鉆床上加工法蘭零件（直徑為1.2米），檢測(cè)其精度指標(biāo)和性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。其X軸定位精度為0.02mm；C軸定位精度達(dá)0.035mm，X軸和C軸的重復(fù)定位精度均達(dá)到0.01mm；任意兩孔間最大定位誤差為±0.05mm。經(jīng)實(shí)際使用證明，本機(jī)床控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高、操作方便，尤其是生產(chǎn)效率得到大幅度的提高，勞動(dòng)強(qiáng)度也得到極大的改善。

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