1 CNC八轴控制

1. 原八轴的控制
   原控制系统是日本FANUC-15M系统，其CNC部分直接控制两个主轴(一个电动机驱动两个主轴，即C轴)和X、Y、Z、A四个轴，并通过PLC和STAMA公司自制的接口控制回转工作台(C2轴)、刀库轴(Q轴)和直线运动式机械手轴(V轴)。PLC共占用I/O点为288/192点。C2轴(回转式工作台)分为两个工作区，在一个工作区进行加工的同时，另一个工作区可以装卸工件，两个工作区每循环一次就可以加工出八个工件。另外原机床的换刀有其特殊性，由Q轴(刀库轴)、V轴(直线式机械手轴)和Z轴等三个轴共同配合完成换刀动作。其过程是：当有换刀指令时，Q轴转到正确刀位，V轴带着机械手到刀库取刀，再移动到主轴端，机械手的另两爪抓住主轴上的两把刀，然后通过Z轴向上运动来拔刀，机械手转动180°以后，Z轴又下降将新刀插入主轴，V轴再回到刀库将换下的刀插入刀库原位置。所以换刀全过程涉及到三个轴的运动和机械手的各种动作，以及大量的电磁阀和位置检测元件，整个动作比较复杂。
   
   图1
   图2
2. 现八轴的控制
   由于FANUC-15M系统是对我国禁运的产品，经调研论证后，我们选用了四轴联动的SIEMENS-840D数控系统。主轴和X、Y、Z、A轴直接由CNC控制，可完全达到原来的技术指标。而原PLC控制的C2、Q、V三轴，也改为CNC直接控制。由于选用的西门子标准操作面板不占用外部I/O点，同时伺服电动机内部有专用的位置编码器，节约了大量的I/O点，所以PLC控制占用的I/O点减少到192/160点。实现了原机床的PLC功能，优化了PLC程序，改善了原机床的功能。具体方法如下述。

   1. Q轴的控制方法 原Q轴的控制框图如图1。当CNC发出换刀指令时，通过PLC送出数字指令和各控制信号，通过接口电路转化为模拟指令，再通过西门子驱动器驱动电动机转动。随刀库同步转动、且对应56把刀的绝对编码器ENC2将刀号的粗位置反馈回PLC，达到粗定位的目的，然后再由精密电位器：来精确定位，进而进行后续的换刀工作。在此机械传动链中，以上两个位置传感器均不安装于电动机内。机械传动链示意图如图2。
      经过多级齿轮和蜗杆、蜗轮传动，电动机与绝对编码器(ENC2)的传动比为157.357/1，而电动机与精密电位器(R)的传动比为2.81/1，均不为整数。与系统配套的伺服电动机内装有增量编码器，但用来确定刀具位置就不合适了，因为其没有一一对应的关系。在分析了整个刀库传动机构和编码器特性后，我们采用了外置增量式编码器，安装于电位器R的位置，即编码器与刀库的传动比为56:1，这样就可以像X、Y、Z、A轴一样，方便地回到参考刀位(定为1号刀)，且每一刀位又和编码器有一一对应关系，这种对应精度又因CNC的128倍频的作用而胜于原精密电位器定位，从而达到了粗精定位两种目的，实现了刀库轴的功能。
   2. V轴的控制方法 原控制框图类似于Q轴控制图，只是没有电位器精定位。V轴位置由绝对编码器(ENC2)来检测。本次改造中V轴的控制也采用直接由CNC控制。由于V轴藏于主轴立柱腔内，不便返回参考点，必须要有位置记忆，因此我们选用了与840D配套的绝对位置编码器来覆盖V轴的全行程，再配合西门子电动机内置位置编码器共同完成V轴的精确定位，达到的控制精度比原来的高。
      
      图3
   3. C2轴的控制方法 C2轴原电气控制精度不高，其精度是由齿盘啮合来保证的。该工作台在0°和180°之间来回转动，控制框图如图3。其位置由0°和180°点上的两个限位开关检测。原理是：CNC发出工作区交换指令后，由PLC译码产生驱动指令，使工作台升起。再经接口板、驱动器驱动电动机按预定方向转动，由多个开关提供电动机需加速、减速和工作台到位与否的信号。工作台到位后，电动机停，工作台降下，完成一次转换过程。本改造中，该轴也改由CNC直接控制的西门子数字伺服电动机来完成。具体的动作过程和原来差不多，不同的是：①由于使用了数控伺服轴，且电动机内配有内装式增量编码器，要正常工作，必须开机回参考点，为了不增加新的元器件，对PLC程序作了特殊的编制，使开机后计算机根据开关状态自动设置坐标值，完成工作台不动作情况下的模拟回零操作。②它虽是作旋转运动，但由于机械结构限制，只能在0°～180°之间来回转动，类似于直线轴的运动特性。所以将其指定为直线轴，方能可靠地限制其在0°～180°之间转动，避免了旋转轴可能产生的360°转动，保证了工作台的可靠性。
3. PLC控制轴改为CNC控制轴的一些特殊性
   1. 原PLC控制轴Q、V、C2 传动机构间隙较大，对位置精度要求不高，因此主要用速度环来控制。改为CNC 控制以后，既有速度环，又有位置环及实时监控，容易产生位置偏差和速度偏差报警，这就增加了调试难度。在改造中，我们一方面加强机械传动链的刚性，另一方面又用加大间隙补偿，加大动静态位置检测公差，适当增大增益和到位检查时间，降低加速度和最大速度等参数设定办法加以克服。
      
      图4
   2. V轴结构不仅间隙大，而且弹性变形大，其结构示意图如图4。其机械手臂约长640mm，所以V轴在运行中的弹性变形通过丝杠随时影响着位置检测，使该轴在快速运动中容易产生振荡。根据这一特点在调试中要适当减小增益，降低速度，增加到位检测时间，方能保证系统稳定。图4
   3. 在换刀过程中，要涉及到Q、V、Z三轴运动。V、Z轴之间配合问题不大，Q、V轴的配合却存在一定问题，这是因为机床有双主轴，机械手每次要从刀库抓两把刀，两刀之间又相隔三把刀，加之Q、V轴的弹性变形，所以机械手从刀库取刀时，易产生干涉而报警，除了作上面调试外，还在PLC程序中设定分段的变速运动以克服两轴之间的干涉，保证了换刀可靠性。

2 改造效果