摘 要：本文提出了一種適用精密切割的數(shù)控車床設(shè)計(jì)方案。該方案采用機(jī)械觸發(fā)式傳感器，通過(guò)控制車刀運(yùn)動(dòng)來(lái)觸發(fā)傳感器，PLC把傳感器得到的信號(hào)傳給數(shù)控系統(tǒng)，再由系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。機(jī)械觸發(fā)式傳感器與PLC的輸入擴(kuò)展端的連接線簡(jiǎn)單，而且易于維護(hù)，比用其它的傳感器降低了成本。關(guān)鍵詞: PLC;數(shù)控機(jī)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(jìn)步，社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期也越來(lái)越短，中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，從而對(duì)制造設(shè)備提出了更高的要求。為滿足市場(chǎng)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(jī)床作為一種自動(dòng)化的加工設(shè)備而被廣泛采用。同時(shí)，隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)向更高層次的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也必將成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的基礎(chǔ)裝備。計(jì)算機(jī)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(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)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(lái)的一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC作為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的嶄新產(chǎn)品，也是開(kāi)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(kāi)關(guān)量的控制問(wèn)題時(shí)起著重要作用。現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床一般可分為機(jī)床床體（MT）、NC和PLC三部分。數(shù)控機(jī)床中NC和PLC協(xié)調(diào)配合共同完成對(duì)數(shù)控機(jī)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(dòng)作，如刀具的更換、工件的夾緊及冷卻液潤(rùn)滑液的開(kāi)停。PLC技術(shù)在各種工業(yè)過(guò)程控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制中得到極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用技術(shù)。
在數(shù)控機(jī)床上有兩類控制信息:一類是控制機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的位置信息，如數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的前、后、左、右移動(dòng);主軸箱的上、下移動(dòng)和圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位移量等。這些控制是用插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置比較后得到的差值，對(duì)伺服進(jìn)給電機(jī)進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。這種控制的核心作用就是保證實(shí)現(xiàn)加工零件的輪廓軌跡，除點(diǎn)位加工外，各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)之間隨時(shí)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(jì)算機(jī)）進(jìn)行處理的，即“數(shù)字控制”。另一類是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，以CNC系統(tǒng)內(nèi)部和機(jī)床上各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開(kāi)關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)為條件，并按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序，對(duì)諸如主軸的開(kāi)停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開(kāi)，液壓、冷卻、潤(rùn)滑系系統(tǒng)的運(yùn)行控制。這一類控制信息主要是開(kāi)關(guān)量信號(hào)的順序控制，一般由 PLC來(lái)完成。
2 精密切割數(shù)控機(jī)床的功能分析
精密切割數(shù)控機(jī)床是通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字方式控制刀具的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削，在編寫數(shù)控車削加工程序時(shí)，并不考慮刀具。在加工前，用戶必須將刀具的 X軸補(bǔ)償量、Z軸補(bǔ)償量、刀尖圓弧半徑、刀尖形式共四種補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)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(cè)量，而刀具的X,Z軸補(bǔ)償量的測(cè)量則相對(duì)困難一些，使用自動(dòng)對(duì)刀儀能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，為此，數(shù)控機(jī)床及加工中心大多配置了各種不同類型的對(duì)刀裝置，如機(jī)外對(duì)刀儀、機(jī)內(nèi)光學(xué)對(duì)刀儀、接觸式自動(dòng)對(duì)刀裝置等。由于車削中心對(duì)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(jī)外對(duì)刀儀的對(duì)刀精度相對(duì)較低，而且專用機(jī)外對(duì)刀儀成本較高，操作復(fù)雜，需要專門的操作空間，所以實(shí)用性較差。而采用機(jī)內(nèi)接觸式自動(dòng)對(duì)刀裝置無(wú)疑是一種簡(jiǎn)便、快捷的對(duì)刀方法，它能方便地自動(dòng)測(cè)量刀具的固定刀補(bǔ)值，大大減少對(duì)刀時(shí)間，提高機(jī)床的加工效率。所以本文旨在設(shè)計(jì)一種機(jī)內(nèi)接觸式的數(shù)控車床，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車削前的精密對(duì)刀，提高生產(chǎn)率，降低加工成本。需要解決的問(wèn)題主要有以下方面:自動(dòng)對(duì)刀儀需有高精度的電子測(cè)頭（傳感器），能夠準(zhǔn)確在觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)，有較快的反映時(shí)間;對(duì)刀儀的測(cè)頭與刀尖剛性接觸，需加緩沖裝置，對(duì)測(cè)頭表面保護(hù)，壓力需控制在1～10MPa左右，這樣才不會(huì)對(duì)傳感器的測(cè)頭造成損壞，形成凹坑;系統(tǒng)能利用機(jī)床本身的位置測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)不同刀尖觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)（X,Z）的記錄，可以方便地得到一組坐標(biāo)值，分析計(jì)算后便可確定各刀刀補(bǔ)值; 安裝和固定對(duì)刀儀的裝置（聯(lián)接臂）應(yīng)達(dá)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(jī)床總體設(shè)計(jì)
對(duì)精密切割的功能，主要需保證刀具切割精度，因此要求對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)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(cè)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(cè)量（刀尖位置這個(gè)物理量）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（電流、電壓）表示的物理量。 精密切割的數(shù)控機(jī)床傳感器由以下幾部分組成：
圖 一：數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)X軸和Z軸兩個(gè)方向的傳感，對(duì)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(diǎn)觸發(fā)傳感器，進(jìn)而運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能再結(jié)合編程實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)坐標(biāo)值的獲取。實(shí)際上傳感器要完成的功能是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，不同的刀具在相同點(diǎn)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(duì)傳感器，這樣對(duì)Z向坐標(biāo)的時(shí)候，得到的刀尖點(diǎn)可能不是真實(shí)的刀尖點(diǎn)坐標(biāo)。
本文采用的是機(jī)械式開(kāi)關(guān)傳感器，用機(jī)械觸發(fā)的方式得到一個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸出，當(dāng)?shù)都馀c傳感器觸發(fā)并行進(jìn)到預(yù)設(shè)位置時(shí)，電路接通得到觸發(fā)信號(hào)。機(jī)械式傳感器相對(duì)來(lái)說(shuō)精度是差一些，但只要設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)單適用，成本較低，具有很大的市場(chǎng)推廣價(jià)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(kāi)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(jī)床，其硬件特點(diǎn)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(lái)的維護(hù)。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(gè)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(qiáng)了數(shù)控機(jī)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(guò)NUM提供的電纜和NUM數(shù)控系統(tǒng)連接，提高了整個(gè)機(jī)床的可靠性。（如果有問(wèn)題，只能損壞這種模塊，不會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)造成損壞）;光纖技術(shù)的通訊，PLC輸入輸出點(diǎn)的擴(kuò)展，通過(guò)光纖進(jìn)行連接，簡(jiǎn)化了線路的連接;軸轉(zhuǎn)接模塊，機(jī)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(guò)它和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進(jìn)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(hào)、回零開(kāi)關(guān)）。如果機(jī)床的軸有問(wèn)題，可以直接把軸模塊上的插頭相對(duì)換，就能很快地查出問(wèn)題所在（系統(tǒng)內(nèi)部或外部）;輕巧實(shí)用的緊湊型操作面板。其上顯示器和計(jì)算機(jī)的CRT有可兼容性，與NC相通的功能鍵共有47個(gè)，有6個(gè)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(jì)要求，當(dāng)傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的程序并未監(jiān)控，此時(shí)是不能記錄刀尖坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的。必須先使進(jìn)給電機(jī)停下來(lái)，等候操作者發(fā)出指令，然后進(jìn)行下一步的操作。所以應(yīng)該通過(guò)PLC的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，將Q001.0和Q001.1兩個(gè)端子分別與兩兩個(gè)進(jìn)給電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。其次，傳感器共有四個(gè)測(cè)頭，但對(duì)進(jìn)給電機(jī)的控制都是一樣的：任何一個(gè)傳感器得到信號(hào)都必須使相應(yīng)的電機(jī)同時(shí)停下來(lái)，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
數(shù)控機(jī)床的傳感器得信號(hào)后通過(guò)接口電路傳給PLC，PLC將得到的信號(hào)通過(guò)交換區(qū)與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，CNC將信息運(yùn)算處理后再傳遞到PLC中，PLC控制X向電機(jī)和Z向電機(jī)運(yùn)動(dòng)。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(gè)輸入口分別與四個(gè)傳感器相連，然后再與 COM口連接。傳感器得到信號(hào)后，相當(dāng)于開(kāi)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(gè)信號(hào)。輸出口%Q001.0控制 X方向進(jìn)給電機(jī)的使能，%Q001.1控制Y方向進(jìn)給電機(jī)的使能。
圖 二 ：數(shù)控機(jī)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(jī)床連接的各種自動(dòng)控制功能。用梯形圖語(yǔ)言編制的自動(dòng)控制功能包括安裝在機(jī)床上的傳感器和執(zhí)行機(jī)械以及與CNC的數(shù)據(jù)交換。自動(dòng)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(guò)它們實(shí)現(xiàn)圖形顯示，自動(dòng)控制和信息存儲(chǔ)功能。CPU與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換可以分為二種類型：通過(guò)交換區(qū)的通訊和通過(guò)協(xié)議的通訊。
自動(dòng)控制功能由一個(gè)監(jiān)督程序進(jìn)行管理，它包括處理初始化，將輸入/輸出點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(gè)20ms周期的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）支配循環(huán)運(yùn)行的。
機(jī)床處理器的存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)RAM。
（3） 機(jī)床處理器（1MB V1）的用戶程序使用的180KB動(dòng)態(tài)RAM。
（3） 機(jī)床處理器（4MB V1）的用戶程序使用的2.5MB動(dòng)態(tài)RAM。
（3） 機(jī)床處理器（4MB V2）的用戶程序使用的3.5MB動(dòng)態(tài)RAM。
（6） UCSII模塊上的用戶程序使用的64KB動(dòng)態(tài)RAM。
自動(dòng)控制功能如下：
（1） 對(duì)DACs（12位）直接存取。
（2） 對(duì)ADCs和輸入/輸出點(diǎn)間接讀和寫存取，這種存取是經(jīng)由虛擬存儲(chǔ)空間（每20ms刷新）實(shí)現(xiàn)的。
5 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
本文的創(chuàng)新點(diǎn)是針對(duì)數(shù)控車床對(duì)刀具精確切割中，對(duì)刀時(shí)間長(zhǎng)、精度差這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了精密切割數(shù)控車床，通過(guò)對(duì)刀尖位置的精確捕捉運(yùn)用NUM數(shù)控系統(tǒng)自身的測(cè)量裝置得到了刀尖點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)計(jì)算將不同刀具相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀的位置偏差得出并再存入數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)刀，有效地提高了對(duì)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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