劉艷華，何高清，祖晅，王國峰

(1．安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，安徽合肥230051;2．合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥230009)

近年來汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，制動(dòng)盤作為盤式制動(dòng)器的關(guān)鍵部件，有著巨大的市場需求。目前大多數(shù)汽車均采用特定規(guī)格的制動(dòng)盤，故尺寸規(guī)格不一、產(chǎn)品種類繁多，且生產(chǎn)工藝要求不同。為滿足制動(dòng)盤的多品種大批量生產(chǎn)，能夠適應(yīng)多變的市場需求，急需研發(fā)適用于制動(dòng)盤零件的柔性生產(chǎn)設(shè)備。STAR-21ZP柔性車削中心及數(shù)控系統(tǒng)［1-2］正是為了滿足該需求而研發(fā)的，文中介紹的主軸功能是柔性車削中心數(shù)控系統(tǒng)的重要組成。

1 STAR-21ZP柔性車削中心簡介

STAR-21ZP柔性車削中心如圖1所示，它是由兩臺(tái)雙刀架立式數(shù)控車床配以物流系統(tǒng)組成的一套完整的柔性制造單元［3］，形成了一次批量上料自動(dòng)完成4個(gè)工序的連續(xù)車削加工。兩臺(tái)雙刀架立式車床“背靠背”放置，分別配有上料機(jī)構(gòu)和下料機(jī)構(gòu)，兩臺(tái)雙刀架立式車床間配有中間翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)構(gòu)，完成工件翻轉(zhuǎn)與輸送。兩臺(tái)車床分別完成制動(dòng)盤的正、反面車削加工，物料輸送系統(tǒng)完成工件上料、中間翻轉(zhuǎn)輸送以及下料的任務(wù)。兩臺(tái)雙刀架立式數(shù)控車床既能獨(dú)立完成工件單面車削，又要彼此緊密配合。兩臺(tái)雙刀架立式車床、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)和中間翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)了各自的數(shù)控，它們之間通過通信來完成機(jī)床間的交流與配合，完成車床控制系統(tǒng)的信息流控制［4］。

圖1 STAR-21ZP型柔性車削中心

2 主軸快速任意定向功能的研發(fā)

數(shù)控系統(tǒng)的主軸控制功能［5-6］包括:S功能，即刀具切削點(diǎn)切削速度的控制功能或者主軸轉(zhuǎn)速控制功能;恒線速度控制功能，即刀具切削點(diǎn)切削速度為恒速的控制功能;切削倍率調(diào)整功能，即人工或自動(dòng)修調(diào)切削速度，通過面板上的主軸倍率波段開關(guān)在0%～150%之間對(duì)預(yù)設(shè)的主軸速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修調(diào)。柔性車削中心系統(tǒng)對(duì)主軸的要求:具有足夠的輸出功率，尤其是低速切削時(shí)電機(jī)能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象，根據(jù)切削力選擇合適功能的主軸電機(jī)即可滿足此要求;具有較寬的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)選用合理的切削速度，獲得最佳車削效果，該車削中心要求主軸轉(zhuǎn)速在1～1 500 r/min之間任意調(diào)整;任意方向定向功能，為滿足車削中心上料機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確把工件放置在主軸三爪卡盤上，或者下料機(jī)構(gòu)能準(zhǔn)確把主軸三爪卡盤上的工件取出進(jìn)行下料，要求主軸在任意方向具有較高精度和快速的準(zhǔn)停功能。為滿足以上要求，電機(jī)選用主軸數(shù)字式交流伺服電機(jī)，配套伺服驅(qū)動(dòng)器，主軸控制采用閉環(huán)控制方式，位置反饋來自與機(jī)床主軸直聯(lián)的編碼器信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)器采用速度控制方式 (通過發(fā)送周期可變的脈沖來保證主軸速度與位置要求)，實(shí)時(shí)獲取編碼器反饋信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)主軸的任意方向準(zhǔn)確定位。

2．1 主軸固定定向裝置

在數(shù)控車床、數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床以及鏜銑為主的加工中心上，由于特殊加工、自動(dòng)換刀或者自動(dòng)上料和下料，要求主軸每次停在一個(gè)固定的準(zhǔn)確的位置上。所以主軸必須具有準(zhǔn)停裝置。準(zhǔn)停裝置分機(jī)械式和電氣式兩種。

(1)機(jī)械式主軸定向裝置

圖2所示機(jī)械準(zhǔn)停裝置［7］的工作原理如下:準(zhǔn)停前主軸必須處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)接收到主軸準(zhǔn)停指令后，主軸電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸箱內(nèi)齒輪換擋使主軸以低速旋轉(zhuǎn)，時(shí)間繼電器開始動(dòng)作，并延時(shí)4～6 s，保證主軸轉(zhuǎn)穩(wěn)后接通無觸點(diǎn)開關(guān)1的電源，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到圖2所示位置即凸輪定位盤3上的感應(yīng)塊2與無觸點(diǎn)開關(guān)1相接觸后發(fā)出信號(hào)，使主軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。另一延時(shí)繼電器延時(shí)0．2～0．4 s后，壓力油進(jìn)入定位液壓缸下腔，使定向活塞向左移動(dòng)，當(dāng)定向活塞上的定向滾輪5頂入凸輪定位盤的凹槽內(nèi)時(shí)，行程開關(guān)LS2發(fā)出信號(hào)，主軸準(zhǔn)停完成。若延時(shí)繼電器延時(shí)1 s后行程開關(guān)LS2仍不發(fā)信號(hào)，說明準(zhǔn)停沒完成，需使定向活塞6后退，重新準(zhǔn)停。當(dāng)活塞桿向右移到位時(shí)，行程開關(guān)LSl發(fā)出滾輪5退出凸輪定位盤凹槽的信號(hào)，此時(shí)主軸可啟動(dòng)工作。機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

圖2 機(jī)械式主軸定向裝置

(2)電氣式主軸定向裝置

數(shù)控機(jī)床根據(jù)定向功能也采用電氣式主軸定向裝置［7］，如圖3所示，只要數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)主軸就可以準(zhǔn)確地定向。如常用磁力傳感器檢測定向的工作原理 (如圖3所示)是:在主軸上安裝一個(gè)永久磁鐵4與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離永久磁鐵4旋轉(zhuǎn)軌跡外1～2 mm處固定一個(gè)磁傳感器5，當(dāng)機(jī)床主軸需要定向停止時(shí)，數(shù)控裝置發(fā)出主軸停轉(zhuǎn)的指令，主軸電動(dòng)機(jī)3立即降速，使主軸以很低的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，當(dāng)永久磁鐵4對(duì)準(zhǔn)磁傳感器5時(shí)，磁傳感器發(fā)出準(zhǔn)停信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)放大后，由定向電路使電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確地停止在規(guī)定的周向位置上。這種準(zhǔn)停裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，磁體與磁傳感器間沒有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá)±1°，能滿足一般定向要求，而且定向時(shí)間短，可靠性較高。

圖3 電氣式主軸定向裝置

2．2 主軸任意定向裝置

機(jī)械準(zhǔn)停裝置比較準(zhǔn)確可靠，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。電氣式定向裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，磁體與磁傳感器間沒有接觸摩擦，準(zhǔn)停的定位精度可達(dá)±1°，能滿足一般定向要求，可靠性也較高，但主軸定向位置取決于磁體安裝位置，如果定位角度改變需要改變磁體安裝位置，而且為了主軸停止時(shí)準(zhǔn)確，主軸轉(zhuǎn)速不宜過高，這樣停止時(shí)間過長。而且以上兩種方式主軸停止的位置改變需要調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)，故采用主軸任意定向裝置 (即:編碼器方式［8-9］主軸定向裝置)，工作原理如圖4，主軸電機(jī)1通過同步帶輪2和3減速，帶動(dòng)主軸箱輸入軸4旋轉(zhuǎn)，通過主軸箱5減速，主軸箱輸出軸6通過同步帶輪7和8傳遞帶動(dòng)主軸編碼器9旋轉(zhuǎn)，同步帶輪7和8的減速比為1∶1，編碼器信號(hào)A相和B相脈沖反饋到主軸控制單元，如圖5。

圖4 編碼器式主軸定向裝置

圖5 主軸控制單元

數(shù)控裝置用RS232方式與主軸控制單元通信，從而控制主軸實(shí)現(xiàn)S功能和定向功能。定向的角度由數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)任意設(shè)定，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行主軸停止指令 (M05)，數(shù)控系統(tǒng)把停止指令M05和定向角度通過串行通信［9-10］(RS232)的方式發(fā)送給主軸控制單元，控制主軸電機(jī)從當(dāng)前速度迅速降低到主軸定向位置。主軸在啟動(dòng)、停止以及達(dá)到高速穩(wěn)定的過程中，因?yàn)榇嬖跈C(jī)械慣性，使主軸電機(jī)運(yùn)行超調(diào)。所以，在控制主軸電機(jī)的過程中，保證加速度由小變大到達(dá)中間速度，再由大變小到達(dá)穩(wěn)定速度，保證主軸機(jī)械慣性盡量小，平穩(wěn)運(yùn)行，故采用雙指數(shù)曲線加減速控制主軸電機(jī)。該功能由主軸控制單元完成，該單元包括:RS232通信模塊、PWM脈沖發(fā)送模塊、高速計(jì)算模塊和CPU模塊。由MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換與數(shù)控裝置的RS232串口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)控裝置對(duì)主軸控制單元的監(jiān)控;CPU模塊由STC12C5A60芯片完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算、編碼器A相、B相和Z相的鑒相和計(jì)數(shù)以及主軸PWM控制;為了控制主軸電機(jī)，PWM脈沖發(fā)送模塊用C8050三極管把CPU發(fā)出的PWM脈沖和方向電流放大驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。主軸控制單元的關(guān)鍵內(nèi)容就是實(shí)現(xiàn)主軸指數(shù)曲線升降速控制和主軸任意定向控制。

2．3 主軸升降速曲線數(shù)學(xué)處理

主軸速度升降控制是主軸調(diào)速的重要環(huán)節(jié)，電機(jī)升/降速不合理將會(huì)造成電機(jī)失步，產(chǎn)生沖擊及震蕩，影響電機(jī)準(zhǔn)停及系統(tǒng)精度。目前多采用線性升降速規(guī)律或者指數(shù)升降速規(guī)律，在相同快速性或平穩(wěn)性的條件下指數(shù)升降速規(guī)律的穩(wěn)定性要優(yōu)于線性升降速規(guī)律，為了實(shí)現(xiàn)較高精度的主軸準(zhǔn)停控制，該系統(tǒng)主軸升降速選用指數(shù)升降速規(guī)律。指數(shù)升降速規(guī)律如圖6所示:在整個(gè)指數(shù)升降速過程中，其加速度也是按照指數(shù)規(guī)律變化的，它由大逐漸變小，在接近目標(biāo)速度時(shí)，趨向于0，這樣可保證速度平穩(wěn)地達(dá)到目標(biāo)速度。指數(shù)升降規(guī)律函數(shù)表達(dá)式為:

圖6 指數(shù)升降速規(guī)律圖

式中:τ為時(shí)間常數(shù)，Toe為升速時(shí)間，T'oe為減速點(diǎn)時(shí)間。

在主軸數(shù)字控制過程中，因指數(shù)曲線運(yùn)算復(fù)雜，在中斷周期無法完成指數(shù)算法的運(yùn)算，因此通常需對(duì)指數(shù)升降規(guī)律函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行離散化處理:主軸實(shí)際速度升降曲線離散為階梯狀的，即主軸由啟動(dòng)轉(zhuǎn)速上升到最高轉(zhuǎn)速，以及由最高轉(zhuǎn)速下降到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速這兩個(gè)過程的時(shí)間 (升速時(shí)間與降速時(shí)間)取一致。主軸轉(zhuǎn)速在500 ms內(nèi)從2 r/min升速1 500 r/min，以t'(10 ms)為時(shí)間間隔對(duì)整個(gè)升/降速時(shí)間進(jìn)行分段，將 t=t'×i(i=1，2，3，…，n)代入公式 (1)、(3)中，可得到升/降速段內(nèi)遞增的時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，經(jīng)過脈沖周期與轉(zhuǎn)速的換算后可以得到遞增的時(shí)間點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的脈沖周期值。將計(jì)算出的脈沖周期值取整后如表1，該數(shù)據(jù)存放在主軸控制單元的存儲(chǔ)區(qū)，構(gòu)成升速脈沖周期表與降速脈沖周期表，在實(shí)際的升降速控制過程中，實(shí)際速度對(duì)應(yīng)的脈沖周期很有可能不在離散的節(jié)點(diǎn)上，采用插值算法［11-12］計(jì)算當(dāng)前速度對(duì)應(yīng)的周期。

表1 脈沖周期插值表

2．4 主軸控制單元對(duì)主軸升降速和定向的控制

在主軸控制單元中，主軸升降速控制和定向控制作為定時(shí)中斷服務(wù)子程序，當(dāng)判斷出當(dāng)前速度與目標(biāo)速度不一致時(shí)就處理該中斷事件。主軸定時(shí)中斷升降速控制過程:先判斷升或降速，例如進(jìn)入升速程序，計(jì)算目標(biāo)速度對(duì)應(yīng)的周期T目標(biāo)，從脈沖周期插值表中查找插值區(qū)獲得Ti+1≤T目標(biāo)≤Ti時(shí)，再用插值算法計(jì)算出T目標(biāo)，將之作為PWM目標(biāo)脈沖周期，按照脈沖周期插值表，逐次從當(dāng)前周期遞減至T目標(biāo)，加速結(jié)束;降速過程同理，不再贅述。

主軸控制如上所述是閉環(huán)伺服系統(tǒng)，主軸編碼器的A相、B相和Z相信號(hào)反饋到主軸控制單元，和PWM脈沖控制進(jìn)行比較，完成主軸精確的位置和穩(wěn)定的速度控制。主軸定向的流程圖如圖7所示，其中代號(hào)意義:

S1為主軸從當(dāng)前速度按照設(shè)定升降速曲線和加速度降速直至停止，主軸所旋轉(zhuǎn)的角度和;

α為降速點(diǎn)，主軸按照一定的時(shí)間和降速曲線，從該角度旋轉(zhuǎn)到定向角度;

S'為角度和的修正值，考慮到機(jī)械慣性，讓主軸在低速旋轉(zhuǎn)S'角度，降速中的總旋轉(zhuǎn)角度為S1-S';

ΔS為每個(gè)中斷周期主軸旋轉(zhuǎn)的角度;

Si為主軸從降速點(diǎn)到當(dāng)前位置共旋轉(zhuǎn)的角度;

αi為主軸當(dāng)前角度;

α0為主軸定向的角度。

圖7 定向流程圖

主軸定向過程:當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)指令M05到主軸控制單元時(shí)，主軸根據(jù)當(dāng)前速度和設(shè)定的降速曲線計(jì)算降速直至停止在定向位置時(shí)所需的總角度S1和降速點(diǎn)α角度，并根據(jù)機(jī)械慣性估算出修正角度S'，修正總角度S1，修正角度根據(jù)現(xiàn)場多次試驗(yàn)獲得。STAR-21ZP型柔性車削中心的兩個(gè)立式主軸的機(jī)械特性不同，前端主軸夾具比后端夾具小很多，試驗(yàn)得知前者取0．5°，后端取5°。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)到降低點(diǎn)角度時(shí)，主軸開始降速，根據(jù)編碼器反饋的脈沖計(jì)算出上一次中斷周期主軸旋轉(zhuǎn)角度，累加為主軸已旋轉(zhuǎn)的角度Si，當(dāng)Si≥S1時(shí)，主軸開始低速尋找定向角度α0，當(dāng)αi=α0時(shí)，主軸停止，主軸定向運(yùn)行完成。

3 結(jié)論

柔性車削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，控制復(fù)雜，主軸采用文中所述控制模式，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，控制可靠，維護(hù)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，有利于柔性化制造。STAR-21ZP型柔性車削中心的主軸脈沖當(dāng)量為0．1°/p，主軸定向的定位精度為±2脈沖當(dāng)量，完全滿足主軸定向的要求;根據(jù)工件夾具的不同，為了在工件的上、下料抓取和放置時(shí)不產(chǎn)生機(jī)械手和夾具的位置干涉，需要改變主軸定向角度，這時(shí)只需在數(shù)控系統(tǒng)中修改主軸定向角度這一參數(shù)即可，數(shù)控系統(tǒng)在發(fā)出主軸停止指令到主軸控制單元時(shí)，告訴主軸控制單元主軸定向的位置，實(shí)現(xiàn)柔性車削中心任意角度精確定向的功能。

在柔性車削中心或者現(xiàn)代工藝復(fù)合的數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控機(jī)床主軸還具有主軸C功能，即主軸軸向任意位置控制的功能，該功能的主軸控制模式和前述相同，采用主軸閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，位置控制算法和主軸定向基本相同，故在主軸定向軟件的基礎(chǔ)上修改為主軸C功能控制算法可以較快地實(shí)現(xiàn)。

【1】何高清，韓江，祖晅．柔性車削中心系統(tǒng)中獨(dú)立型PLC模塊的研究設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，32(12):73-75．

【2】何高清，韓江，祖晅．STAR-21G型柔性車削中心數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(11):68-71．

【3】廖效果．?dāng)?shù)控技術(shù)［M］．武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2000．

【4】柔性制造系統(tǒng)［EB/OL］．http://baike．baidu．com/view/71177．htm．

【5】傅桂龍，程筱勝．基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2000(1):45-46．

【6】房書文，張桂香．PC內(nèi)嵌NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的研制開發(fā)［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(11):53-55．

【7】機(jī)械和電氣準(zhǔn)停［EB/OL］．http://jingpin．hust-snde．com/2010/skjs/kcxx/ch5/se2/zhishi6．html．

【8】編碼器準(zhǔn)停［EB/OL］．http://wenku．baidu．com/view/c771f1a6f524ccbff121846f．html．

【9】編碼器準(zhǔn)停［EB/OL］．http://baike．baidu．com/view/3761240．htm．

【10】龔建偉，熊光明．Visual C++/Turbo C串口通信編程實(shí)踐［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2007．

【11】常用的插值算法［EB/OL］．http://www．doc88．com/p-14965880194．html．

【12】王寶成．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床實(shí)用教程［M］．天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，2000．