摘 要：本文提出了一種適用精密切割的數(shù)控車床設(shè)計方案。該方案采用機械觸發(fā)式傳感器，通過控制車刀運動來觸發(fā)傳感器，PLC把傳感器得到的信號傳給數(shù)控系統(tǒng)，再由系統(tǒng)來進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。機械觸發(fā)式傳感器與PLC的輸入擴展端的連接線簡單，而且易于維護，比用其它的傳感器降低了成本。關(guān)鍵詞: PLC;數(shù)控機床;精密;NUM;傳感器
Abstract:This paper proposed one kind of CNC machine tool design proposal which is suitable precisely cuts. This plan uses the machinery to touch the sensor, triggers the sensor through the control lathe tool movement, and the PLC put the sensor signal to the CNC system, at last, carries on the corresponding data processing by the system. The connected wired between machinery sensor and the PLC is simple, moreover is easy to maintain, compared to other sensors has reduced the cost.
Keyword:PLC;CNC machine tool; precisely ;NUM;sensor
1 前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的進步，社會對產(chǎn)品多樣化的需求越來越強烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期也越來越短，中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，從而對制造設(shè)備提出了更高的要求。為滿足市場的需要，要求制造設(shè)備具有高效率、高質(zhì)量、高柔性及低成本的性能，數(shù)控機床作為一種自動化的加工設(shè)備而被廣泛采用。同時，隨著現(xiàn)代機械制造業(yè)向更高層次的發(fā)展，數(shù)控機床也必將成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的基礎(chǔ)裝備。計算機數(shù)控系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜、高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備，己成為當(dāng)今先進制造技術(shù)的一個重要組成部分。
PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器是20世紀(jì)60年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC作為計算機技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的嶄新產(chǎn)品，也是開放式數(shù)控系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。它在處理開關(guān)量的控制問題時起著重要作用。現(xiàn)代先進的數(shù)控機床一般可分為機床床體（MT）、NC和PLC三部分。數(shù)控機床中NC和PLC協(xié)調(diào)配合共同完成對數(shù)控機床的控制，其中NC主要完成管理調(diào)度及軌跡控制等“數(shù)字控制”工作，PLC主要完成與邏輯有關(guān)的一些動作，如刀具的更換、工件的夾緊及冷卻液潤滑液的開停。PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動線控制中得到極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一項十分重要的應(yīng)用技術(shù)。
在數(shù)控機床上有兩類控制信息:一類是控制機床進給運動坐標(biāo)軸的位置信息，如數(shù)控機床工作臺的前、后、左、右移動;主軸箱的上、下移動和圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運動位移量等。這些控制是用插補計算出的理論位置與實際反饋位置比較后得到的差值，對伺服進給電機進行控制而實現(xiàn)的。這種控制的核心作用就是保證實現(xiàn)加工零件的輪廓軌跡，除點位加工外，各個軸的運動之間隨時隨刻都必須保持嚴(yán)格的比例關(guān)系。這類數(shù)字信息是由CNC系統(tǒng)（專用計算機）進行處理的，即“數(shù)字控制”。另一類是數(shù)控機床運行過程中，以CNC系統(tǒng)內(nèi)部和機床上各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號的狀態(tài)為條件，并按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序，對諸如主軸的開停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系系統(tǒng)的運行控制。這一類控制信息主要是開關(guān)量信號的順序控制，一般由 PLC來完成。
2 精密切割數(shù)控機床的功能分析
精密切割數(shù)控機床是通過數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字方式控制刀具的運動以實現(xiàn)對工件的切削，在編寫數(shù)控車削加工程序時，并不考慮刀具。在加工前，用戶必須將刀具的 X軸補償量、Z軸補償量、刀尖圓弧半徑、刀尖形式共四種補償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序，進行補償運算。這四種參數(shù)中，刀尖形式按數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定予以確認(rèn)，刀尖圓弧半徑可由R規(guī)測量，而刀具的X,Z軸補償量的測量則相對困難一些，使用自動對刀儀能很好地解決這個問題，為此，數(shù)控機床及加工中心大多配置了各種不同類型的對刀裝置，如機外對刀儀、機內(nèi)光學(xué)對刀儀、接觸式自動對刀裝置等。由于車削中心對一般的數(shù)控車床刀具夾持標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，因此采用機外對刀儀的對刀精度相對較低，而且專用機外對刀儀成本較高，操作復(fù)雜，需要專門的操作空間，所以實用性較差。而采用機內(nèi)接觸式自動對刀裝置無疑是一種簡便、快捷的對刀方法，它能方便地自動測量刀具的固定刀補值，大大減少對刀時間，提高機床的加工效率。所以本文旨在設(shè)計一種機內(nèi)接觸式的數(shù)控車床，實現(xiàn)數(shù)控車削前的精密對刀，提高生產(chǎn)率，降低加工成本。需要解決的問題主要有以下方面:自動對刀儀需有高精度的電子測頭（傳感器），能夠準(zhǔn)確在觸發(fā)點觸發(fā)，有較快的反映時間;對刀儀的測頭與刀尖剛性接觸，需加緩沖裝置，對測頭表面保護，壓力需控制在1～10MPa左右，這樣才不會對傳感器的測頭造成損壞，形成凹坑;系統(tǒng)能利用機床本身的位置測量裝置進行測量，通過對不同刀尖觸發(fā)點坐標(biāo)（X,Z）的記錄，可以方便地得到一組坐標(biāo)值，分析計算后便可確定各刀刀補值; 安裝和固定對刀儀的裝置（聯(lián)接臂）應(yīng)達到相應(yīng)精度要求，滿足平行度與垂直度要求，且要有較好的剛度和易操作性。
3 精密切割數(shù)控機床總體設(shè)計
對精密切割的功能，主要需保證刀具切割精度，因此要求對數(shù)據(jù)機床的主要部件一一傳感器的精度得到保證，傳感器的作用是感知和檢測某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息，將被測量（刀尖位置這個物理量）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（電流、電壓）表示的物理量。 精密切割的數(shù)控機床傳感器由以下幾部分組成：
圖 一：數(shù)控機床傳感器組成
在本文中，傳感器的選用應(yīng)有相當(dāng)?shù)木龋瓿梢韵鹿δ?1）、實現(xiàn)對X軸和Z軸兩個方向的傳感，對刀儀要得到X軸和Z軸的坐標(biāo)值，必須使不同刀具在相同的點觸發(fā)傳感器，進而運用機床數(shù)控系統(tǒng)的功能再結(jié)合編程實現(xiàn)該點坐標(biāo)值的獲取。實際上傳感器要完成的功能是一個開關(guān)量，不同的刀具在相同點觸發(fā)即可。 2）、由于刀具偏角的不同，傳感器不能做成X軸向和Z軸向相互垂直的兩對傳感器，這樣對Z向坐標(biāo)的時候，得到的刀尖點可能不是真實的刀尖點坐標(biāo)。
本文采用的是機械式開關(guān)傳感器，用機械觸發(fā)的方式得到一個開關(guān)量的輸出，當(dāng)?shù)都馀c傳感器觸發(fā)并行進到預(yù)設(shè)位置時，電路接通得到觸發(fā)信號。機械式傳感器相對來說精度是差一些，但只要設(shè)計合理，也能將誤差控制在合理的范圍內(nèi)。另一方面，可自行設(shè)計以兼顧刀具刀偏角的不同和傳感器的大小及聯(lián)接方式。此種傳感器簡單適用，成本較低，具有很大的市場推廣價值。
4 PLC與數(shù)控系統(tǒng)編程
NUM1020/1040數(shù)控系統(tǒng)是NUM于1995年開發(fā)出的全新數(shù)控系統(tǒng)，是緊湊且功能完善的32位數(shù)控系統(tǒng)，并且和NUM1060系列系統(tǒng)完全兼容。它特別適合于1～6軸的數(shù)控機床，其硬件特點如下：采用CISC（ 超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的GSP主板;主板上連接可插接（分離的）小模板，由于考慮到數(shù)控系統(tǒng)和系統(tǒng)外部的聯(lián)系，NUM把和外界聯(lián)系的功能模塊制造成可插接小模塊，便于用戶將來的維護。具體分為軸模塊、顯示模塊和通訊模塊;NUM1020/1040采用+24VDC為其電源輸入，由于數(shù)控系統(tǒng)是弱電電路，采用+24VDC為電源輸入，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素的影響。用戶可以把+24VDC穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，大大提高了整個數(shù)控系統(tǒng)的可靠性;PLC功能的內(nèi)部集成，PLC功能的內(nèi)部集成化，提高了PLC和 CNC的內(nèi)部通訊能力，增強了數(shù)控機床的邏輯控制;PLC的32輸入和24輸出模塊，NUM的32輸入和24輸出模塊可以和外圍的電路相連接，而這種模塊通過NUM提供的電纜和NUM數(shù)控系統(tǒng)連接，提高了整個機床的可靠性。（如果有問題，只能損壞這種模塊，不會對數(shù)控系統(tǒng)造成損壞）;光纖技術(shù)的通訊，PLC輸入輸出點的擴展，通過光纖進行連接，簡化了線路的連接;軸轉(zhuǎn)接模塊，機床的編碼器和到伺服的線路可以直接聯(lián)到此模塊上，并通過它和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進行連接，提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。另外，NU M的軸連接和其它數(shù)控系統(tǒng)不同，NUM的軸模塊連接此軸的所有信息（如編碼器、速度信號、回零開關(guān)）。如果機床的軸有問題，可以直接把軸模塊上的插頭相對換，就能很快地查出問題所在（系統(tǒng)內(nèi)部或外部）;輕巧實用的緊湊型操作面板。其上顯示器和計算機的CRT有可兼容性，與NC相通的功能鍵共有47個，有6個用戶自由定義鍵及串行通訊接口，可以連接PC的鍵盤（直接插拔）。
按照設(shè)計要求，當(dāng)傳感器檢測到信號時，數(shù)控系統(tǒng)的程序并未監(jiān)控，此時是不能記錄刀尖坐標(biāo)值進行數(shù)據(jù)處理的。必須先使進給電機停下來，等候操作者發(fā)出指令，然后進行下一步的操作。所以應(yīng)該通過PLC的控制來實現(xiàn)這一功能，將Q001.0和Q001.1兩個端子分別與兩兩個進給電機相連，實現(xiàn)單獨控制。其次，傳感器共有四個測頭，但對進給電機的控制都是一樣的：任何一個傳感器得到信號都必須使相應(yīng)的電機同時停下來，然后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
數(shù)控機床的傳感器得信號后通過接口電路傳給PLC，PLC將得到的信號通過交換區(qū)與CNC進行數(shù)據(jù)的傳輸，CNC將信息運算處理后再傳遞到PLC中，PLC控制X向電機和Z向電機運動。數(shù)控系統(tǒng)與傳感器的接口電路如圖2所示：
如圖所示為PLC的接線示意圖，將%I001.0、%I001.1、%I001.2、%I001.3 四個輸入口分別與四個傳感器相連，然后再與 COM口連接。傳感器得到信號后，相當(dāng)于開關(guān)閉合，由原先的+24VDC電壓跳變?yōu)榱悖瑥亩oPLC的相應(yīng)的輸入端口一個信號。輸出口%Q001.0控制 X方向進給電機的使能，%Q001.1控制Y方向進給電機的使能。
圖 二 ：數(shù)控機床接口電路
NUM1060CNC是一種多功能、多處理器的系統(tǒng)，它提供與數(shù)控機床連接的各種自動控制功能。用梯形圖語言編制的自動控制功能包括安裝在機床上的傳感器和執(zhí)行機械以及與CNC的數(shù)據(jù)交換。自動控制功能設(shè)置在中央處理單元之中，它包括一塊或多塊功能卡，CNC通過它們實現(xiàn)圖形顯示，自動控制和信息存儲功能。CPU與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換可以分為二種類型：通過交換區(qū)的通訊和通過協(xié)議的通訊。
自動控制功能由一個監(jiān)督程序進行管理，它包括處理初始化，將輸入/輸出點分配到不同的框架以及輸人輸出接口和監(jiān)視器的管理等多種基本任務(wù)。監(jiān)控程序與用戶程序一起對系統(tǒng)進行整體的監(jiān)督管理。用戶程序是在監(jiān)督程序控制下受一個20ms周期的實時時鐘（RTC）支配循環(huán)運行的。
機床處理器的存儲器空間安排如下：
（1） 有備份功能（掉電保持）的32K靜態(tài)RAM。
（2） 在電源接通是復(fù)位（清零）的32K動態(tài)RAM。
（3） 機床處理器（1MB V1）的用戶程序使用的180KB動態(tài)RAM。
（3） 機床處理器（4MB V1）的用戶程序使用的2.5MB動態(tài)RAM。
（3） 機床處理器（4MB V2）的用戶程序使用的3.5MB動態(tài)RAM。
（6） UCSII模塊上的用戶程序使用的64KB動態(tài)RAM。
自動控制功能如下：
（1） 對DACs（12位）直接存取。
（2） 對ADCs和輸入/輸出點間接讀和寫存取，這種存取是經(jīng)由虛擬存儲空間（每20ms刷新）實現(xiàn)的。
5 創(chuàng)新點總結(jié)
本文的創(chuàng)新點是針對數(shù)控車床對刀具精確切割中，對刀時間長、精度差這一問題，設(shè)計了精密切割數(shù)控車床，通過對刀尖位置的精確捕捉運用NUM數(shù)控系統(tǒng)自身的測量裝置得到了刀尖點的坐標(biāo)，經(jīng)過計算將不同刀具相對于標(biāo)準(zhǔn)刀的位置偏差得出并再存入數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動對刀，有效地提高了對刀的效率和精度，具有可推廣性。可為生產(chǎn)效率的提高，制造成本的降低起到積極的作用。
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