任曉虹，王 軍，張秋生

REN Xiao-hong1, WANG Jun2, ZHANG Qiu-sheng2

（1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110168；2.沈陽景宏機械有限公司，沈陽 110000）

0 引言

目前，大型回轉(zhuǎn)類零件和管板類零件的加工需求越來越多，要求越來越高。以往這類零件的加工均采用直角坐標式數(shù)控機床，通過3個坐標軸聯(lián)動對工件進行加工。但是，直角坐標式數(shù)控機床在加工大型回轉(zhuǎn)曲面、圓周分度精度要求較高的孔系和一些具有特殊要求的零件時，存在著加工精度差、加工效率低以及編程不方便等問題。

基于極坐標理論的數(shù)控搖臂鉆床，運用“極坐標控制”的設(shè)計思想和方法，其進給運動由數(shù)控工作臺的回轉(zhuǎn)和X 軸的徑向運動、Z軸的縱向運動，代替直角坐標系的三個直線運動，對零件進行鉆削和銑削加工，其加工精度好，效率高，編程方便。本文以可編程控制器PLC為控制核心的極坐標式數(shù)控鉆銑復(fù)合機床為研究對象，進行運動分析和數(shù)控系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。

1 加工要求

1.1 管板類零件的加工

管板被廣泛用于列管式換熱器、鍋爐、壓力容器、汽輪機、大型中央空調(diào)等行業(yè)。大型管板的特點是管孔數(shù)量多、密、孔徑小、深、精度和光潔度要求高，這就對管板加工提出了很高的要求。以往加工管板的工藝流程為：劃線→打洋沖→打中心孔→檢驗→鉆孔。這種方法不僅勞動強度大、工序多、每件加工需要百余個工時，而且加工精度低，經(jīng)常造成工件報廢和返工。因此管板加工的精度和質(zhì)量極大地影響著以上所列化工、熱能設(shè)備的組裝和使用性能。

本設(shè)計可以實現(xiàn)管板加工數(shù)控化的要求。根據(jù)搖臂鉆床結(jié)構(gòu)和功能，在管板類零件加工過程中，機床的回轉(zhuǎn)工作臺和主軸箱的直線運動通過伺服系統(tǒng)的驅(qū)動，可以實現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)進給和任意角度的分度，精確地對被加工孔的位置進行定位，保證管孔間距和管徑公差、垂直度、光潔度等加工要求。

1.2 大孔或凸輪的銑削加工

對于具有較大尺寸的孔，由于鉆頭直徑的限制，不能通過鉆削一次加工到所要求的尺寸，通過數(shù)控工作臺的回轉(zhuǎn)與主軸箱的徑向移動，在極坐標插補模式下可以用銑削加工方法完成；在平面凸輪的輪廓加工中，回轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)極坐標下的極角改變，直線移動軸實現(xiàn)極徑改變，通過二者的聯(lián)動插補功能完成凸輪的銑削加工，擴大了搖臂鉆床的加工能力和生產(chǎn)效率。

1.3 一次安裝加工上下面的倒角

在一些大型回轉(zhuǎn)類零件，如法蘭類零件的加工中，孔或內(nèi)外圓柱面加工后，需要對上下面倒角，如選擇合適的刀具（如鏜刀），仍然采用極坐標插補控制，通過銑削功能，在一次裝夾中即可完成上下兩面的倒角加工，大大減少了用于工件翻轉(zhuǎn)而損失的加工精度和裝夾時間。

2 數(shù)控搖臂鉆床運動分析和控制電路設(shè)計

2.1 運動分析

根據(jù)加工要求，數(shù)控搖臂鉆床應(yīng)具備以下基本功能：1）主軸箱在伺服電動機驅(qū)動下，通過傳動機構(gòu)在搖臂上左右移動；2）工作臺為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，由伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)同步帶輪和一對精密蝸輪蝸桿副傳動可繞其軸線精確地回轉(zhuǎn)；3）鎖緊搖臂后，主軸軸心線和工作臺軸心線在同一平面上。

機床結(jié)構(gòu)如圖1所示?；跇O坐標方式控制的搖臂鉆床的運動可描述為：在底座上安

圖1 搖臂鉆床結(jié)構(gòu)與運動分布示意圖

裝數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺做回轉(zhuǎn)進給運動(C軸)，主軸箱由伺服電機帶動在搖臂上做徑向進給運動（X軸），刀具在主軸上一邊做旋轉(zhuǎn)運動，一邊做縱向進給運動(Z軸)。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 控制要求

搖臂鉆床運動部件較多，為了簡化傳動裝置，采用多臺電動機拖動，分別實現(xiàn)主軸正反方向旋轉(zhuǎn)、主軸縱向進給、主軸箱在搖臂上徑向移動，數(shù)控工作臺正反方向回轉(zhuǎn)、搖臂升降與夾緊等。

1）主軸的旋轉(zhuǎn)和縱向進給運動均為主軸的運動，分別由兩臺交流伺服電動機驅(qū)動。為了適應(yīng)多種形式的加工要求，主軸（刀具）的旋轉(zhuǎn)應(yīng)有較大的調(diào)速范圍，因此采用交流變頻器驅(qū)動控制；Z軸主要做加工進給控制，故選擇交流電動機及交流變頻器驅(qū)動，實現(xiàn)刀具的縱向切削深度控制和進刀/退刀控制。

2）數(shù)控工作臺（C軸）要求能正反方向回轉(zhuǎn)并與X軸實現(xiàn)插補，采用交流伺服電動機及交流伺服驅(qū)動器控制。

3）主軸箱沿搖臂導(dǎo)軌的徑向（X軸）移動采用交流伺服電動機和交流伺服驅(qū)動器控制。加工時，先由定位機構(gòu)將搖臂定位在與工作臺中心線重合的X軸線上，通過控制程序?qū)崿F(xiàn)X軸與C軸的插補運動。

4）搖臂的升降與夾緊均采用交流異步電動機控制，要求能正反方向啟停。搖臂的上、下極限位置設(shè)行程開關(guān)保護。

本系統(tǒng)選用南京埃斯頓EDC系列的EDC-08APE、EMJ-08APA21型交流伺服電動機和伺服驅(qū)動器，日本安川的CIMR-F7B43P7型變頻器。

2.2.2 PLC外部電路設(shè)計

根據(jù)控制要求計算出I/O點數(shù)，其中：輸入26點、輸出20點。根據(jù)確定的I/O點數(shù)，并考慮留有一定的裕量，選擇西門子S7-200 CPU226型PLC，其主機I/O點數(shù)為24/16，晶體管輸出。選擇一個輸入/輸出擴展模塊EM223（24V DC輸入/24V DC輸出）和一個模擬量擴展模塊EM232（2路模擬量輸出）。

圖2 為搖臂鉆床控制系統(tǒng)PLC外部電路原理圖。

圖2 PLC外部控制電路原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于極坐標控制的鉆銑復(fù)合加工機床，其控制程序的設(shè)計思想是根據(jù)鉆削和銑削加工特點建立的。在位置控制模式下，采用角度分度控制的方法，把旋轉(zhuǎn)運動當作進給運動，這時旋轉(zhuǎn)軸具備了進給坐標的功能，即C軸和X軸的聯(lián)動控制基本等同于直角坐標中的X軸和Y軸的聯(lián)動控制。

3.1 極坐標控制原理

3.1.1 鉆削加工

鉆削加工是通過C軸和X軸的運動，使刀具精確地定位在孔的坐標位置上，然后在Z軸方向進行鉆進給。程序設(shè)計時用直角坐標X、Y計算孔或點的位置，然后將其轉(zhuǎn)換成極坐標ρ、θ。主軸定位在孔的坐標位置后，配之以鉆頭上下(Z向)直線進給，完成鉆、擴、絞孔的加工。

3.1.2 銑削加工

極坐標控制下的銑削加工主要是C軸的回轉(zhuǎn)和X軸直線移動之間的插補控制。加工時，多數(shù)情況下被加工孔的中心與工作臺回轉(zhuǎn)中心不重合，但通過控制工作臺的回轉(zhuǎn)，總能使孔的中心線與X軸線重合。由于銑刀始終在X軸線上來回移動，所以要求工作臺必須正反往復(fù)的運動。無論工作臺是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，孔中心點總是沿著某一圓弧軌跡移動，工作臺每回轉(zhuǎn)一個角度θ，刀具就移動一段距離，即X軸與C軸存在 的關(guān)系。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于極坐標控制的軟件功能是對硬件系統(tǒng)進行合理控制，也就是通過控制電路對電動機輸出控制信號，再經(jīng)過傳動機構(gòu)使機床的各坐標軸按照 插補關(guān)系運動，從而使控制系統(tǒng)完成預(yù)定任務(wù)。

軟件系統(tǒng)按照不同功能設(shè)計成公用子程序、回原點子程序、手動程序、自動程序等，各種工作方式由方式選擇開關(guān)通過PLC的輸入觸點I2.5～I2.7進行選擇。主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 公用子程序

當系統(tǒng)上電后SM0.0一直為“ON”狀態(tài)，無條件地執(zhí)行公用程序。公用程序用于處理在各種工作方式下都要執(zhí)行的任務(wù),如設(shè)置原點條件和必要的初始狀態(tài)以及處理不同工作方式之間的相互轉(zhuǎn)換等。

3.2.2 回原點子程序

圖3 主程序結(jié)構(gòu)

回原點主要是對主軸箱進行回零操作，系統(tǒng)上電后，通過回零操作使主軸箱在X軸方向處于原點位置、Z軸方向在上限位開關(guān)處，為搖臂鉆執(zhí)行加工任務(wù)做好準備。

3.2.3 手動程序

在機床調(diào)整和安裝工件時，通常執(zhí)行手動程序控制主軸的左右、上下移動，工作臺的正反方向回轉(zhuǎn)，搖臂的升降、夾緊等。為了保證系統(tǒng)的安全,在手動程序中設(shè)置了一些必要的連鎖，如搖臂升與降的互鎖，主軸箱左右行的互鎖，工作臺正反向回轉(zhuǎn)之間的互鎖等,以防止功能相反的兩個輸出同時為ON；用限位開關(guān)SQ1、SQ2限制搖臂升降的范圍，用SQ3、SQ4限制主軸箱左右移動范圍、用SQ5、SQ6限制主軸上下移動的距離等，使搖臂鉆各個執(zhí)行部件都在安全范圍內(nèi)運動。

3.2.4 自動程序

自動程序用于機床正常加工過程，主要包括主軸速度控制模塊、X軸和C軸插補模塊、Z軸進給控制模塊等。零件加工程序在PC機上編程后經(jīng)RS-232數(shù)據(jù)通信接口傳送到數(shù)控系統(tǒng)，就可進行加工。

1）主軸速度及旋轉(zhuǎn)方向控制

主軸轉(zhuǎn)速由程序中S值設(shè)定并存入指定存儲器地址，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，以模擬量信號形式送到主軸變頻器的信號輸入端；主軸旋轉(zhuǎn)方向指令由PLC的輸出信號端Q0.4、Q0.5送到變頻器的S1、S2口，當Q0.4=“1”、Q0.5=“0”時主軸正轉(zhuǎn)，反之主軸反轉(zhuǎn)。

2）Z軸進給控制

Z軸的縱向進給量是一個給定值L（由零件圖給定），它是通過D/A轉(zhuǎn)換后，送到Z軸變頻器的模擬量信號輸入端，作為刀具在縱向的切削深度，加工時刀具到達該值后，其縱向進給停止，刀具返回。程序設(shè)計時是通過高速計數(shù)器對Z軸伺服電機編碼器進行計數(shù)，并將此計數(shù)值轉(zhuǎn)換成刀具實際移動距離L'，當L'= L時，斷開Z軸變頻器的模擬量輸入信號，縱向進給停止Q0.6=“0”，刀具退回時令Q0.7=“1”。

3）X軸與C軸插補控制

無論是管板類零件的鉆削加工，還是大孔徑零件或平面凸輪的銑削加工，X軸與C軸都需要以極坐標方式控制。程序設(shè)計中，用脈沖輸出指令（PLS）和設(shè)置相關(guān)控制字，分別從Q0.0和Q0.1口輸出高速脈沖，對X軸和C軸伺服電機進行位置控制，由Q0.2或Q0.3控制電動機的正反轉(zhuǎn)方向（如圖2所示）。鉆削時主要做孔的位置控制，X軸和C軸可以聯(lián)動；銑削時X軸和C軸需要按推出的插補關(guān)系 進行位置控制，使得數(shù)控工作臺每回轉(zhuǎn)一個角度θ，X軸在徑向方向就移動一個距離，角度θ細分的越小，插補精度越高。

工作臺的回轉(zhuǎn)坐標軸與直線坐標軸聯(lián)動進行加工，不僅能實現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)進給，同時也能完成任意角度的分度。由數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺角位移與導(dǎo)軌的直線位移建立的極坐標系，突破了以往平面曲線、曲面加工的直角坐標進給模式，在程序設(shè)計中只要將圖紙中的尺寸標注從直角坐標轉(zhuǎn)化為極坐標即可，這對于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)極易實現(xiàn)。

4 結(jié)論

針對大型回轉(zhuǎn)類、盤類零件研制的數(shù)控搖臂鉆機床,在極坐標條件下加工管板類、法蘭類及平面凸輪等零件較普通搖臂鉆床具有定位精確、加工精度高、加工效率高等優(yōu)勢?；跇O坐標運動控制的搖臂鉆床其機械設(shè)計易于實現(xiàn)，控制算法簡單，由于作為核心控制器的PLC具有豐富的指令功能，在程序設(shè)計中很容易實現(xiàn)數(shù)學(xué)運算和機床的邏輯控制及位置控制。

機床的回轉(zhuǎn)工作臺和直線進給運動通過伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)分度和定位，其定位精度由傳動部件和控制系統(tǒng)決定。通過在Z3050X16(W)型搖臂鉆床上加工法蘭零件（直徑為1.2米），檢測其精度指標和性能均達到了設(shè)計要求。其X軸定位精度為0.02mm；C軸定位精度達0.035mm，X軸和C軸的重復(fù)定位精度均達到0.01mm；任意兩孔間最大定位誤差為±0.05mm。經(jīng)實際使用證明，本機床控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高、操作方便，尤其是生產(chǎn)效率得到大幅度的提高，勞動強度也得到極大的改善。

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