王偉平

摘要：文章針對(duì)數(shù)控車床的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門研究，提出多種模型，并對(duì)控制模型進(jìn)行逐一分析，研究了相關(guān)控制邏輯，分析了各種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與不足。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；可編程臺(tái)尾；臺(tái)尾結(jié)構(gòu)；控制模型；金屬加工設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG659 文章編號(hào)：1009-2374（2015）13-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.006

1 可編程臺(tái)尾的特點(diǎn)

數(shù)控車床是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛的一類金屬加工設(shè)備，數(shù)控車床主要用于加工回轉(zhuǎn)件，比較常見(jiàn)的是加工盤(pán)類零件和軸類零件。盤(pán)類零件的加工一般僅采用卡盤(pán)卡緊方式就能滿足要求，而對(duì)于軸類零件特別是對(duì)于長(zhǎng)軸類零件的加工，需要使用卡盤(pán)和臺(tái)尾結(jié)構(gòu)，采取一卡一頂?shù)难b卡方式，所以對(duì)于數(shù)控車床的加工而言，良好、可靠、高效的臺(tái)尾結(jié)構(gòu)非常重要?？煽扛咝У呐_(tái)尾結(jié)構(gòu)，不僅能保證數(shù)控車床所加工零件的加工質(zhì)量，而且可以大大提高加工效率，對(duì)于提升數(shù)控車床的自動(dòng)化程度也非常重要。

傳統(tǒng)的臺(tái)尾結(jié)構(gòu)，主要是手動(dòng)搬動(dòng)臺(tái)尾體沿?cái)?shù)控車床的Z軸導(dǎo)軌移動(dòng)或沿臺(tái)尾專用導(dǎo)軌移動(dòng)，臺(tái)尾的移動(dòng)由人力搬動(dòng)，臺(tái)尾體被搬到指定位置后，扳動(dòng)手柄將臺(tái)尾底板鎖到臺(tái)尾移動(dòng)的導(dǎo)軌上。用人力旋轉(zhuǎn)臺(tái)尾套筒的進(jìn)退的手柄，將臺(tái)尾體內(nèi)的套筒旋出頂緊工件，再通過(guò)鎖緊手柄將臺(tái)尾套筒鎖緊。可見(jiàn)傳統(tǒng)的數(shù)控車床的臺(tái)尾結(jié)構(gòu)操作起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，隨著數(shù)控車床產(chǎn)品日新月異的發(fā)展，特別是智能化數(shù)控車床產(chǎn)品的涌現(xiàn)，為提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，數(shù)控車床行業(yè)特別需要一種新興的數(shù)控車床臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，來(lái)代替原有傳統(tǒng)的數(shù)控車床的臺(tái)尾

結(jié)構(gòu)。

數(shù)控車床的可編程臺(tái)尾，不同于傳統(tǒng)臺(tái)尾結(jié)構(gòu)，是一種具備可以參與數(shù)控車床加工編程的新型臺(tái)尾結(jié)構(gòu)。在對(duì)可編程臺(tái)尾的控制過(guò)程中，數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)可以用M代碼、B代碼或其他可以參與數(shù)控車床加工編程的代碼指令，自動(dòng)控制臺(tái)尾或臺(tái)尾套筒的進(jìn)退，并對(duì)臺(tái)尾或臺(tái)尾套筒的位置進(jìn)行檢測(cè)，控制臺(tái)尾或臺(tái)尾套筒前進(jìn)或后退到數(shù)控車床加工需要的位置，來(lái)完成對(duì)數(shù)控車床加工零件的頂緊。這樣可以提高數(shù)控車床加工效率，特別是對(duì)于數(shù)控車床與自動(dòng)化生產(chǎn)線（桁架機(jī)器手自動(dòng)化生產(chǎn)線或關(guān)節(jié)機(jī)器手自動(dòng)化生產(chǎn)線）組線時(shí)，可以高效、精準(zhǔn)地提高數(shù)控車床的裝卡效率，從而大大提高數(shù)控車床的加工節(jié)拍，極大地方便數(shù)控車床的加工，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化加工，有效地提高數(shù)控車床的智能化水平和自動(dòng)化水平。

2 多種可編程臺(tái)尾的結(jié)構(gòu)與控制研究

2.1 采用檢測(cè)開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)易可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)

這里介紹一種簡(jiǎn)單的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)——采用檢測(cè)開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)易可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)上：在普通臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的臺(tái)尾體后端增加一個(gè)隨臺(tái)尾套筒進(jìn)退的長(zhǎng)桿，再增加兩個(gè)與臺(tái)尾體固定的，用來(lái)檢測(cè)臺(tái)尾套筒運(yùn)動(dòng)位置的無(wú)觸點(diǎn)光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)，即構(gòu)成了這種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)。

控制上：臺(tái)尾套筒前后移動(dòng)由數(shù)控系統(tǒng)輸出控制代碼M32（臺(tái)尾套筒前進(jìn)）；M33（臺(tái)尾套筒后退）來(lái)實(shí)現(xiàn)，臺(tái)尾套筒行程控制用無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到的位置信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)。前進(jìn)開(kāi)關(guān)到位信號(hào)，用來(lái)確保臺(tái)尾套筒有效的頂緊工件，后退限位開(kāi)關(guān)作為臺(tái)尾套筒退回到位的確認(rèn)信號(hào)。根據(jù)被加工工件長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整這兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)位置。如果臺(tái)尾套筒伸出不到位，臺(tái)尾套筒前進(jìn)開(kāi)關(guān)發(fā)不出信號(hào)，機(jī)床主軸就不能啟動(dòng)。在程序編寫(xiě)和自動(dòng)加工過(guò)程中，臺(tái)尾套筒前進(jìn)、臺(tái)尾套筒后退檢測(cè)開(kāi)關(guān)分別被采集到數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制程序中，作為臺(tái)尾套筒前進(jìn)指令代碼M32和臺(tái)尾套筒前進(jìn)指令代碼M33的應(yīng)答信號(hào)。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

2.2 采用直線光柵尺的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)

在第一種可編程臺(tái)尾研究的基礎(chǔ)上，這里介紹另一種結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)上：此種臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與前面提到的第一種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)相似，只是使用光柵尺結(jié)構(gòu)代替了檢測(cè)臺(tái)尾套筒前進(jìn)、后退的位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)。

控制上：數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)尾所帶光柵尺的反饋位置數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)將可編程臺(tái)尾體等同于虛擬軸進(jìn)行控制，通過(guò)G0等G代碼控制臺(tái)尾的運(yùn)行位置，結(jié)合光柵尺的反饋位置，通過(guò)數(shù)據(jù)比較計(jì)算，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)尾的控制。此種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制位置相對(duì)較為靈活，難點(diǎn)在于對(duì)光柵尺的模擬量數(shù)據(jù)的讀入與識(shí)別，因某些數(shù)控系統(tǒng)不接收反饋的模擬量信號(hào)，或者需要通過(guò)特殊的DA轉(zhuǎn)換裝置來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2.3 通過(guò)液壓插銷借用Z軸拖動(dòng)臺(tái)尾的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)

這里再介紹一種間接利用數(shù)控車床伺服軸移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程臺(tái)尾控制的結(jié)構(gòu)——通過(guò)液壓插銷借用Z軸拖動(dòng)臺(tái)尾的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)上：此種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)，采用液壓缸帶動(dòng)液壓插銷結(jié)構(gòu)、Z軸撞停到位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，使臺(tái)尾體與Z軸床鞍之間有效連接，數(shù)控系統(tǒng)控制液壓插銷的動(dòng)作，利用Z軸帶動(dòng)床鞍移動(dòng)到相應(yīng)位置。

控制上：此種可編程臺(tái)尾的動(dòng)作順序邏輯為：（1）Z軸運(yùn)行到臺(tái)尾附近；（2）Z軸到位撞停開(kāi)關(guān)觸發(fā)；（3）數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)PLC控制液壓插銷伸出；（4）檢測(cè)液壓插銷到位；（5）數(shù)控系統(tǒng)控制Z軸拖動(dòng)臺(tái)尾運(yùn)行到指定位置；（6）松開(kāi)液壓插銷；（7）檢查插銷退出到位；（8）移走Z軸。此種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)捷，控制難點(diǎn)在于PLC邏輯控制上。

2.4 采用伺服電機(jī)控制的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)

有了前面的研究，這里介紹一種較為復(fù)雜的應(yīng)用于數(shù)控車床的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)——采用伺服電機(jī)控制的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)上：采用交流伺服電機(jī)作為可編程臺(tái)尾的控制軸（W軸），來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程臺(tái)尾的控制。由W軸交流伺服電機(jī)（帶抱閘）通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，沿Z軸方向移動(dòng)。W軸伺服電機(jī)（后端裝有絕對(duì)編碼器）通過(guò)聯(lián)軸器直接連接到相應(yīng)的滾珠絲杠上，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)臺(tái)尾的運(yùn)動(dòng)與完成位置控制。

控制上：W軸交流伺服電機(jī)所起的作用是驅(qū)動(dòng)臺(tái)尾體快移定位到數(shù)控系統(tǒng)指令要求的位置，而頂緊工件主要靠可編程臺(tái)尾體上的液壓缸，同時(shí)臺(tái)尾體到位后，臺(tái)尾體的鎖緊靠臺(tái)尾體底面壓板。在數(shù)控系統(tǒng)的控制中，可以對(duì)控制臺(tái)尾的W軸伺服電機(jī)，采用PLC軸或IO LINK軸的形式進(jìn)行控制，通過(guò)編寫(xiě)PLC控制程序，使用B代碼加G0等位置移動(dòng)指令控制可編程臺(tái)尾的高速精準(zhǔn)定位。采用類似控制伺服軸一樣的方式控制此種類型的可編程臺(tái)尾。因伺服電機(jī)的移動(dòng)速度快、定位精準(zhǔn)、啟停平穩(wěn)，所以此種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)在高速、高精加工應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢(shì)，此種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)也是很多高檔數(shù)控車床比較青睞的臺(tái)尾結(jié)構(gòu)。

3 多種可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的比較分析

上文對(duì)四種應(yīng)用于數(shù)控車床的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，各種方案的優(yōu)點(diǎn)和不足如下：

方案1（采用檢測(cè)開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)易可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)）：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是不移動(dòng)開(kāi)關(guān)位置的情況下，不能任意位置靈活編程，精度與臺(tái)尾運(yùn)行速度一般。方案2（采用直線光柵尺的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)）：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、較易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是成本較高、某些數(shù)控系統(tǒng)不能直接接收模擬量信號(hào)，光柵尺信號(hào)處理比較繁瑣。方案3（通過(guò)液壓插銷借用Z軸拖動(dòng)臺(tái)尾的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)）：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、成本適中，較易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是定位精度一般，插銷故障率較高，需提高相關(guān)部件的剛性。方案4（采用伺服電機(jī)控制的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)）：優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快、定位精準(zhǔn)、鎖緊力大；缺點(diǎn)是成本高，設(shè)計(jì)調(diào)試較為復(fù)雜。

4 結(jié)語(yǔ)

可編程臺(tái)尾的結(jié)構(gòu)與控制研究對(duì)于數(shù)控車床的加工效率的提升、機(jī)床可靠性研究和數(shù)控車床產(chǎn)品的智能化研究很有意義，相信可靠高效的可編程臺(tái)尾結(jié)構(gòu)的應(yīng)用必將提升數(shù)控車床的整體自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重大專項(xiàng)：（2013ZX04011-011）資助。

（責(zé)任編輯：周 瓊）