現(xiàn)代許多機(jī)電行業(yè)己廣泛運(yùn)用定位單元進(jìn)行控制，如X-Y工作臺(tái)控制、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)控制、進(jìn)給控制、同步進(jìn)給控制、輥道送進(jìn)控制、復(fù)雜軌道運(yùn)動(dòng)控制等。究其控制形式主要有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、等速軌道控制、高速高精度軌道運(yùn)算、速度切換控制、速度、位置控制、定尺送進(jìn)等。所有這些控制要求都可以采用不同檔次的PLC有關(guān)控制單元或模塊構(gòu)成系統(tǒng)，以求得技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的解決力一案。

　　作者利用日本三菱電機(jī)公司的 PLC定位控制單元，開發(fā)了特形而數(shù)控刨床數(shù)控系統(tǒng)。

1 特形面數(shù)控刨床及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　數(shù)控刨床加工對(duì)象為由圓弧、直線和過(guò)渡圓角形成的特形而，帶有一定的錐度:即由一定的錐而和剎而組成，該持形而沿軸線力一向的發(fā)生線仍是直線，不同于一般的三維曲而。加工時(shí)，刀具作快速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)掃描工件表而，就可加工出模板特形而，采用刨削加工，既能用簡(jiǎn)單刀具實(shí)現(xiàn)高效切削(與銑床力一式相比)，又能簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)。數(shù)控刨床工作循環(huán)與普通刨床相同，即間歇進(jìn)給一刨削行程一返回行程，不同的是要求X(刨銷力一向)、y(水平進(jìn)給力一向),Z(垂直進(jìn)給力一向)三小標(biāo)聯(lián)動(dòng)。

　　以加工錐而為例，設(shè)從大頭刨到小頭，如圖1所示，間歇進(jìn)給時(shí)，Y,Z兩力一向作圓弧插補(bǔ)移動(dòng)一個(gè)進(jìn)給量F(mm),刨削行程時(shí)，X,Y,Z需同時(shí)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)速度必須滿足下列關(guān)系:

　　式(1)中，Vx,Vy,Vz為三個(gè)小標(biāo)力一向刀具一工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度;Y,Z為切削起點(diǎn)位置相對(duì)圓心的小標(biāo);α為切削起點(diǎn)位置法線力一向與Y軸的夾角;R為切削起點(diǎn)位置的半徑;。為錐而剎)變。負(fù)數(shù)表示運(yùn)動(dòng)力一向與小標(biāo)力一向相反。

圖1 加工帶錐度的錐面

　　由小頭刨向大頭時(shí)，式(1)中負(fù)號(hào)改為正號(hào)，刨削一個(gè)剎而時(shí)，式(1)同樣適用，只是其中α角為常值。刨床數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制X ,Y,Z的同步運(yùn)動(dòng)速度，即可以加工出錐度來(lái)。

　　為了保證三個(gè)力一向的速度維持式(1)所要求的關(guān)系，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)每個(gè)工作行程均自動(dòng)檢測(cè)刨削速度，并將前一行程的刨削速度作為當(dāng)前行程的刨削速度Vx，通過(guò)式(1)計(jì)算出相應(yīng)的VY和VZ來(lái)控制刀具一工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣將刨削行程這個(gè)三小標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩小標(biāo)控制，既簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，又簡(jiǎn)化了用戶應(yīng)用程序的編制工作，用戶編程時(shí)，不需考慮錐度帶來(lái)的復(fù)雜性，可象加工柱而一樣地進(jìn)行編程。

　　刨床傳動(dòng)系統(tǒng)是由主運(yùn)動(dòng)X軸，水平進(jìn)給運(yùn)動(dòng)Y軸和垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)Z軸三根小標(biāo)軸組成，經(jīng)控制系統(tǒng)控制，由三根軸執(zhí)行刀具與工件的相對(duì)切削運(yùn)動(dòng)，完成特形曲而的三維切削運(yùn)動(dòng)。X軸，Y軸，Z軸的動(dòng)作分別由工作臺(tái)、橫刀架、垂直刀架實(shí)現(xiàn)，其中工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)X軸為油缸執(zhí)行，由調(diào)蔡普通調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)某一非恒速往返運(yùn)動(dòng)。蔡個(gè)切削過(guò)程中，X軸的恒速運(yùn)動(dòng)不變，加工特形曲而上的任意點(diǎn)，是靠Y軸、Z軸聯(lián)動(dòng)來(lái)滿足X軸的恒速運(yùn)動(dòng)，而完成三維曲而加工。工作臺(tái)側(cè)而裝有兩套光電信號(hào)發(fā)生器與接收器，由檢測(cè)兩信號(hào)發(fā)生器之間的時(shí)間差算出工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，該勻速運(yùn)動(dòng)為蔡個(gè)曲而切削運(yùn)動(dòng)的依據(jù)，用Y軸，Z軸插補(bǔ)力一式來(lái)滿足被加工件的三維曲而加工。

　　進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的Y軸和Z軸均由伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠執(zhí)行，Y軸與Z軸為伺服進(jìn)給軸，參與直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。本開發(fā)中選用三菱交流伺服系統(tǒng)(ME工SERVO-J )兩套，分別用于驅(qū)動(dòng)Y軸和Z軸。伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)放大器(AC伺服放大器)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(A C;伺服馬達(dá))，檢測(cè)器組成。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)控刨床控制系統(tǒng)主要由一臺(tái)日本三菱電機(jī)公司FX系列小型可編程控制器FX248MT，一臺(tái)FX-20UM兩軸定位單元，兩套交流伺服系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖( 一軸)

　　圖2中FX-20UM作為智能化的定位控制器按用戶編制的定位程序向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出定位脈沖、運(yùn)行力一向等信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器按這些控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行定位。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，只有零位信號(hào)反饋給FX-20UM，對(duì)于伺服電機(jī)，則有伺服準(zhǔn)備、伺服結(jié)束和零位三個(gè)信號(hào)反饋。外部設(shè)定用數(shù)字開關(guān)可將定位點(diǎn)位置和速度等數(shù)值送入定位單元，定位單元通過(guò)總線連接到FX或FX2c系列PLC上，成為PLC控制系統(tǒng)中的定位智能控制環(huán)節(jié)。在定位單元內(nèi)，常量的設(shè)置與監(jiān)控、參數(shù)的改變可以通過(guò)使用連接到PLC上的數(shù)據(jù)存取單元(FX-lODU , FX-20DU , FX-30DU , FX-40DU , FX-40DU-TK等)完成。因此可以在運(yùn)行過(guò)程中由PI_C指定段號(hào)，傳送定位速度等數(shù)據(jù)，并能在PLC中監(jiān)視UM的實(shí)時(shí)定位信號(hào)及運(yùn)行或停止?fàn)顟B(tài)。

　　在PLC和FX-20UM之間的數(shù)據(jù)通訊被FROM/TO指令控制，在FX-20UM中有專門用于通訊的緩沖存儲(chǔ)器并給予編號(hào)(BFM，相應(yīng)地在PLC中分配有輸入繼電器，輸出繼電器，輔助繼電器，以及特殊輔助繼電器等設(shè)備。

　　使用TO指令從PLC的數(shù)據(jù)寄存器傳送數(shù)據(jù)到FX-20UM的數(shù)據(jù)設(shè)備中，使用FROM指令從FX-20UM設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中。

　　在PLC的輸入輸出點(diǎn)上接有起動(dòng)、停止、左右限行程開關(guān)、工作臺(tái)兩側(cè)光電傳感器(光眼)輸入信號(hào)以及控制油缸換相的左右電磁鐵允斷電的邏輯電路。系統(tǒng)初始工作時(shí)，啟動(dòng)PLC，系統(tǒng)處于機(jī)械原點(diǎn)處，并指定電器原點(diǎn)，且工作臺(tái)處于工件左端位。由操作盤啟動(dòng)FX-20GM定位單元((PGU) , PGU執(zhí)行定位控制程序，當(dāng)執(zhí)行到M代碼控制指令時(shí)，PUU產(chǎn)生M代碼等待，M代碼輸出和M代碼“ON”信號(hào)被置入特殊的數(shù)據(jù)寄存器和特殊繼電器中，這些信號(hào)通過(guò)FROM/TO指令被送到PLC中指定的數(shù)據(jù)寄存器和輔助繼電器中。PLC;解碼處理M代碼輸出，并閉合液壓系統(tǒng)控制閥右電磁鐵使油缸運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)工作臺(tái)水平向右作切削運(yùn)動(dòng)。

　　當(dāng)工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)到隔斷光電傳感器信號(hào)的瞬間，PLC啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，并驅(qū)動(dòng)M代碼“OFF”命令，UM接收到M代碼OFF命令，斷開M代碼“0V”信號(hào)，定位程序轉(zhuǎn)到下一條直線或圓弧插補(bǔ)指令，Y和Z軸以一定的矢量速度從小端而始點(diǎn)插補(bǔ)到大端而終點(diǎn)，與此同時(shí)，X軸力一而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光眼從斷開到閉合的瞬間，定時(shí)器停止記時(shí)，二軸插補(bǔ)亦完成。X軸繼續(xù)運(yùn)動(dòng)當(dāng)撞到右端行程開關(guān)時(shí)，控制閥電磁鐵停電，工作臺(tái)水平運(yùn)動(dòng)停止。

　　PGU完成抬刀后，執(zhí)行M代碼等待，PLC接受M代碼并解碼，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向左運(yùn)動(dòng)，撞擊左端行程開關(guān)，產(chǎn)生M代碼OFF命令，使PGU執(zhí)行下一條語(yǔ)句，且工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)停止于左端，回到工作初態(tài)。PGU完成降刀并判終，如果未終，則計(jì)算下一次始點(diǎn)小標(biāo)和終點(diǎn)小標(biāo)，并接收行程時(shí)間，計(jì)算出下一次的矢量速度，并調(diào)蔡相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器，然后驅(qū)動(dòng)刀具定位于下一次始點(diǎn)小標(biāo)處，執(zhí)行M代碼等待，這樣完成一個(gè)工作循環(huán)。

　　按下停止鍵，在當(dāng)前的工作周期處理完畢后，才停止工作。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

　　控制系統(tǒng)軟件主要由兩大部分組成:PLC控制程序和PGU定位程序，其結(jié)構(gòu)框圖分別如圖3，圖4所示。

圖3 PLC控制程序框圖

圖4 PGU定位程序框圖

4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)上述刨床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)，我們看到定位控制單元或模塊應(yīng)用于機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，具有編程力一便、使用調(diào)度靈活、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性和靈活性大為提高，該系統(tǒng)己在某廠投入運(yùn)行，獲得好評(píng)。