數控系統在車床改造中的應用

在數控車床行業中，目前國內使用的大都是以步進電機作為驅動元件構成的經濟型車床數控系統。這些系統大多采用單片機作為控制核心，以開環方式工作，功能少而且故障率較高。在如今車床的改造過程中，我們應用的SKY普及型車床系統，以其獨特的雙位置閉環控制方式，全面兼容的標準高速64位PC控制核心，方便的自動對刀功能，強大的CAD/CAM/CNC一體化功能，發揮出國外系統所沒有的優勢，給用戶帶來良好的經濟效益。

1　控制原理

常規閉環機床位置控制系統的設計，是在速度環基礎上加位置外環構成閉環系統。由于這類系統難以克服非線性因素的影響，常因自持振蕩而無法工作。為了克服系統這種缺陷，以轉角—線位移雙閉環位置控制方式，使數控技術達到一個嶄新的的層次。由其構成的位置控制系統的動態結構如圖1所示。

該系統由內外雙位置環組成。其內環為轉角位置環，檢測元件為裝于電機軸上的光電碼盤，驅動裝置為交流伺服系統，由此構成一輸入為θi、輸出為θo的隨動系統。外部位置環采用光柵、感應同步器等線位移檢測元件直接獲取機床工作臺位移信息，并以內環的轉角隨動系統作為驅動裝置驅動工作臺運動，并且引入Gc（S）組成的前饋通道，構成復合控制系統，大大提高了其跟隨性能。因為工作臺的精度由線位移檢測元件決定，所以在理論上消除了機床間隙對精度的影響。

2　系統組成及應用

系統控制部分結構框圖如圖2所示，共分6個主要部分：伺服機構、位置反饋、自動對刀、開關量控制、主軸控制、主軸反饋。

（1）伺服部分　根據車床傳動部分的機械特性，我們選用相匹配的進口交流數字式伺服電機。根據改造后車床的精度要求，選用相匹配的光柵尺作為線位移檢測元件。常規5V方波光柵尺的分辨率為5μm，其精度可達到0.01mm，讀數頭最大快移速度達24m/min，可以保證數控車床的精度及穩定性。實際上系統分辨率可達0.5μm。采用更高精度的檢測元件，已經使系統工作精度達到1μm。

（2）主軸部分　為實現系統對主軸部分的實時控制，我們采用配套的變頻器，如三菱、松下、臺安等對主軸電機進行轉速及轉向的控制。同時配合車床自身機械變速機構，可避免其在低頻下振動與扭矩降落現象。系統將通過PLC實現對變頻器轉向的開關量控制，通過0～10V模擬量輸出可實時對電機轉速進行控制。這樣即可實現加工過程中的恒線速度切削。

另外，在主軸上（即C軸）裝配相應的光電編碼器，將其轉速以脈沖形式進行計數并反饋給計算機，系統根據其計數結果能實現軟件同步螺紋切削。這種方法通過對C軸的位置反饋信息進行數字化處理，動態提取同步信息，實時預測牽入同步點，并據此進行柔性牽入同步控制，以無中斷方式實現了多次切削過程的軟件準確同步。它大大提高了系統的可靠性，使螺紋車削精度得到可靠保證。

（3）刀架部分　通過計算機與PLC的組合，實現了對刀架換刀的準確控制。其控制流程圖如圖3。計算機發出換刀指令后，PLC接收其信號并動作，控制刀架電機正向旋轉。同時檢測刀架各刀位的位置反饋信號，并與計算機發出的刀號指令比較，直到一致時，停止刀架電機正向旋轉，同時PLC控制刀架電機反轉鎖緊。鎖緊到位后，PLC發出換刀完成信號給計算機，此時換刀動作結束。

（4）快速自動對刀部分　配上附件對刀器，實現了有人工參與的快速自動對刀。其工作原理圖4可簡要說明。對刀模塊上有兩個對刀面A、B，其位置關系已知。在系統控制下，刀具刀尖分別觸及對刀面A、B的瞬間，采樣X、Z坐標值，即可求得刀尖坐標。即確定了該刀具在機床坐標系中的位置。若刀具刀尖為圓弧形，刀尖觸及A、B面時，采樣到的X、Z坐標值為圓弧與對刀面接觸點的相關坐標。此時系統將根據刀尖半徑與對刀面的幾何關系，通過計算求解出刀尖圓心坐標，以此確定刀具位置。利用快速對刀功能，對一把刀只需1min左右。且對刀精度高，大大減少了加工的輔助時間，有效地提高了勞動生產率與車削加工質量。

3　結論

經過改造后的車床，如云南機床廠的C6140車床、泰興機床廠的C6150車床等，能發揮出普及型數控車床的全部功能，精度高、可靠性好、操作容易。該機床再配合系統強大的CAD/CAM/CNC三位一體的軟件編程功能，使其能加工多種精度要求高、形狀復雜的工件，從而給用戶創造出良好的經濟效益。