摘 要：為適應(yīng)現(xiàn)代化的復(fù)合加工要求，數(shù)控系統(tǒng)需具備控制兩個(gè)主軸運(yùn)動(dòng)的功能。對(duì)華中數(shù)控8型系統(tǒng)進(jìn)行第二主軸運(yùn)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)與開發(fā)，總結(jié)了主軸的控制原理、硬件設(shè)備配置和機(jī)床電氣設(shè)計(jì)的方法、參數(shù)設(shè)置和PLC編程思路、機(jī)電聯(lián)調(diào)等內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)雙主軸的控制。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；雙主軸；機(jī)床

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.016

在現(xiàn)代制造業(yè)背景下，具備車削、銑削、鉆孔的車銑復(fù)合數(shù)控機(jī)床，能夠?qū)崿F(xiàn)零件的一次裝夾、多工序加工，從而提高生產(chǎn)效率而被廣泛使用。因具備車削和銑削的兩個(gè)主軸運(yùn)動(dòng)功能，此數(shù)控機(jī)床對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了雙主軸的功能要求，即在同一通道中具備兩個(gè)主軸都能和進(jìn)給軸配合并完成加工運(yùn)動(dòng)。華中數(shù)控系統(tǒng)是國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)，其8型系統(tǒng)因系統(tǒng)穩(wěn)定和開發(fā)性較好而被廣泛運(yùn)用。在現(xiàn)有的華數(shù)818B-M數(shù)控銑系統(tǒng)原有的伺服主軸基礎(chǔ)上，新增第二模擬主軸，經(jīng)過升級(jí)改造后實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)車削和銑削雙主軸的控制功能。其設(shè)計(jì)和開發(fā)內(nèi)容包括主軸的控制原理分析、硬件設(shè)備配置、機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制和機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 主軸的控制原理

數(shù)控系統(tǒng)重要的主運(yùn)動(dòng)由主軸部件完成，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)控制主軸方式不同，分為伺服主軸和模擬主軸。華數(shù)的伺服主軸由伺服驅(qū)動(dòng)器（華數(shù)HSV-180US）來驅(qū)動(dòng)控制主軸伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)，伺服主軸配置具備主軸定向、C軸功能等，精度高造價(jià)高等特點(diǎn)。模擬主軸則由變頻器通過調(diào)頻來實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的控制。對(duì)無特殊加工要求的數(shù)控機(jī)床來說，模擬主軸能實(shí)現(xiàn)基本的主軸運(yùn)動(dòng)功能，有較高的性能價(jià)值，因而被廣泛運(yùn)用。

1.2 開發(fā)第二主軸的功能描述

基于以上伺服主軸和模擬主軸的控制原理不同，針對(duì)華數(shù)8型系統(tǒng)已配置的伺服主軸，設(shè)置為第一主軸。在此系統(tǒng)上開發(fā)第二主軸功能，同時(shí)新增變頻器、電機(jī)及IO模塊等硬件設(shè)備，運(yùn)用軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)模擬主軸的控制功能。為避免第二模擬主軸和第一伺服主軸功能干涉，故第二主軸的手動(dòng)啟、停、升擋和減擋功能分別運(yùn)用818BM面板上的擴(kuò)展鍵F1、F2、F3、F4實(shí)現(xiàn)。

2 第二主軸功能開發(fā)

2.1 硬件設(shè)備配置

新增的模擬主軸的主要硬件配置包括一臺(tái)主軸電機(jī)、主軸編碼器、變頻器、HIO-1041板。其中HIO-1041板作為D/A板，接受NC控制輸出模擬電壓來控制變頻器，從而控制成閉環(huán)回路。對(duì)于主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制則通過HIO的HIO-1021N板輸出的Y組信號(hào)來控制主軸正反轉(zhuǎn)的電氣回路，而對(duì)應(yīng)正反轉(zhuǎn)的Y信號(hào)的接線則與外部繼電器的線圈相連，繼而通過線圈和觸點(diǎn)的關(guān)系控制變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)。

2.2 機(jī)床電氣設(shè)計(jì)

為保障新增硬件正常工作，需設(shè)計(jì)機(jī)床電氣的主軸電路部分，以實(shí)現(xiàn)變頻器等主要硬件的正常配電。主軸電氣部分包括強(qiáng)電工作部分（380V）和弱電控制部分（24V）。變頻器的工作電壓為380V，同時(shí)輸送給主軸電機(jī)供電。弱電部分由變壓器和直流穩(wěn)壓電源將380V交流電轉(zhuǎn)換為24V電，實(shí)現(xiàn)變頻器和IO的通信控制。與新增主軸相關(guān)的主要電路部分設(shè)計(jì)，如圖1所示。

2.3 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

完成主軸硬件配置后，數(shù)控系統(tǒng)須對(duì)第二主軸進(jìn)行功能開發(fā)，其內(nèi)容包括了新增主軸有關(guān)參數(shù)的設(shè)置和新增主軸plc程序的設(shè)計(jì)。

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

（1）I/O設(shè)備分配：由于硬件配置時(shí)新增了一塊模擬量輸入/輸出模板即HIO-1041板，在設(shè)備接口參數(shù)中，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別兩個(gè)I/O設(shè)備：第一個(gè)即是HIO-1041模擬量板，第二個(gè)為原有的總線I/O，設(shè)備號(hào)分別為9和10。需對(duì)這兩個(gè)I/O重新分配地址和組數(shù)。

（2）通道和軸號(hào)設(shè)置：原通道中已有一個(gè)主軸，現(xiàn)在通道中開啟第二主軸參數(shù)，需在此通道中激活新的邏輯軸作為第二主軸，繼而分配新邏輯軸號(hào)和設(shè)置主軸類型（見表1）。

（3）主軸速度設(shè)置：新增的模擬主軸可根據(jù)實(shí)際工作情況配置新的主軸擋位和速度參數(shù)（見表1）。

2.3.2 plc程序設(shè)計(jì)

PLC程序可實(shí)現(xiàn)機(jī)床用戶的各種功能，PLC程序也稱為梯形圖。本次PLC程序設(shè)計(jì)主要是對(duì)第二模擬主軸的相關(guān)功能進(jìn)行控制。具體內(nèi)容為：利用面板按鍵F1和F2實(shí)現(xiàn)主軸的手動(dòng)模式下的啟和停，同時(shí)自動(dòng)模式下能實(shí)現(xiàn)主軸正反轉(zhuǎn)和停止。面板按鍵F3和F4實(shí)現(xiàn)增速和減速功能。其編程思路總結(jié)為：

（1）確定plc與外圍設(shè)備NC和機(jī)床的信號(hào)類型和地址，包括X

（下轉(zhuǎn)第51頁）

（上接第23頁）

信號(hào)、Y信號(hào)、G信號(hào)、F信號(hào)等。

（2）將第二主軸功能編制成子程序，增新至原有梯圖中。運(yùn)用常真信號(hào)開啟第二主軸的使能G230.7和G232.0。確定第二主軸主軸正轉(zhuǎn)信號(hào)為G2622.4，反轉(zhuǎn)信號(hào)為G2623.4。主軸運(yùn)動(dòng)功能可以在手動(dòng)模式和自動(dòng)模式下實(shí)現(xiàn)，故編程時(shí)應(yīng)考慮這兩種情況均能實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)動(dòng)功能。其中自動(dòng)模式下，采用M53、M54和M55指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下的主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，故梯圖中需增加這兩個(gè)指令的M代碼響應(yīng)和應(yīng)答功能塊。

（3）運(yùn)用SPDA功能塊實(shí)現(xiàn)主軸倍率DA轉(zhuǎn)換。通過F3和F4兩個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)主軸倍率的增速和減速。注意SPDA中的p參數(shù)值該對(duì)應(yīng)主軸速度參數(shù)，例如p62參數(shù)值為010362-010372中對(duì)應(yīng)的10個(gè)參數(shù)值，映射為第二主軸1擋的速度值。

（4）利用華數(shù)LADDER軟件編輯程序，通過在線監(jiān)測(cè)和調(diào)試程序，檢測(cè)梯圖中各類型信號(hào)和功能塊中的參數(shù)，是否與已有的第一主軸的梯圖發(fā)生干涉。調(diào)試無誤后，保存生效。

3 機(jī)電聯(lián)調(diào)

完成硬件配置、電氣連接、參數(shù)設(shè)置和PLC程序編制后，必須進(jìn)行機(jī)電聯(lián)調(diào)測(cè)試，檢測(cè)是否能實(shí)現(xiàn)第二主軸的各功能的控制，方法如下：

（1）手動(dòng)功能檢測(cè)：按下面板按鍵F1和F2后，主軸是否能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止；多次點(diǎn)擊按鍵F3或者F4，觀察系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)主軸轉(zhuǎn)速S是否實(shí)現(xiàn)S值逐次增大或逐次減小。

（2）自動(dòng)功能測(cè)試：在MDI或者自動(dòng)模式下載入測(cè)試加工程序，如“M53 S1=1000”，觀察主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)并且轉(zhuǎn)速S達(dá)到1000；同理檢測(cè)自動(dòng)反轉(zhuǎn)（M54）和自動(dòng)停止功能（M55）。

（3）兩主軸干涉檢測(cè) ：運(yùn)用以上的方法，同時(shí)檢測(cè)第一主軸的正常功能是否受到影響，避免第二主軸的功能開發(fā)造成兩主軸的干涉問題。

4 總結(jié)

本文整體設(shè)計(jì)了開發(fā)第二主軸的功能開發(fā)，闡述了運(yùn)用機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、PMC編程、數(shù)控機(jī)床聯(lián)調(diào)等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了NC對(duì)雙主軸的控制功能的方法。對(duì)傳統(tǒng)的單主軸數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)雙主軸的功能開發(fā)，此升級(jí)改造方案對(duì)目前的復(fù)合化的數(shù)控機(jī)床升級(jí)改造有重要意義，其經(jīng)濟(jì)性和普適性對(duì)其他類型的數(shù)控系統(tǒng)主軸開發(fā)具有一定借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳吉紅.華中數(shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試手冊(cè)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

作者簡(jiǎn)介：龔璇（1985-），女，湖北武漢人，講師，碩士研究生，從事數(shù)控技術(shù)專業(yè)教學(xué)和研究工作。