李紅俠 葉利偉 蒙海軍

【摘 要】 介紹了一種新型螺紋磨床數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)硬件、軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話。采用PMAC2運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了邏輯和運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)床Z軸、X軸采用全閉環(huán)控制，提高了控制精度。砂輪傾斜一定螺旋升角，對(duì)砂輪形狀投影在X、Z坐標(biāo)平面內(nèi)的圖形進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，現(xiàn)實(shí)了數(shù)控化軌跡修整。

【關(guān)鍵詞】 螺紋磨床 全閉環(huán)控制 PMAC2運(yùn)動(dòng)控制器 觸摸屏 伺服系統(tǒng) 軌跡修整

引言

螺紋磨床是一種高精度的加工機(jī)床，其砂輪修整多采用金剛筆或成型滾輪修整。其中金剛筆修整依靠操作技能保證修整質(zhì)量。而成型滾輪修整，滾輪與砂輪接觸面大，修整表面光潔度不好，磨削不同的螺紋需更換不同的成型滾輪。國(guó)內(nèi)也有進(jìn)口美國(guó)德拉克DRAKE全智能機(jī)器人操作螺紋磨床，而國(guó)內(nèi)大部分中小企業(yè)其維修技術(shù)力量薄弱，維護(hù)不便。因此，需要由中國(guó)制造智能化螺紋磨床替代進(jìn)口。

隨著智能化的發(fā)展，越來(lái)越要求減少人工操作因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。而智能機(jī)床的基礎(chǔ)是機(jī)床精度及穩(wěn)定性高，人為因素少，才能保證合格率。根據(jù)市場(chǎng)需求，研制了一種全閉環(huán)控制螺紋磨床的數(shù)控系統(tǒng)，提高了機(jī)床精度，砂輪數(shù)控化軌跡修整改善了修整精度，減少了人工操作的影響。

一、建立數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)系

1、機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

在床身上有縱向和橫向?qū)к墶？v向移動(dòng)平臺(tái)Z軸、橫向進(jìn)給平臺(tái)X軸。在X、Z軸上安裝有光柵尺，滾珠絲杠傳動(dòng)。在Z軸上安裝有工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)C軸和手動(dòng)扳螺旋升角的滾輪機(jī)構(gòu)。在X軸上安裝有手動(dòng)扳螺旋升角的砂輪主軸機(jī)構(gòu)。工件及砂輪人工裝卸。砂輪人工平衡。

2、機(jī)床坐標(biāo)系：#1->180C #2->2000X #3->2000Z

二、數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

硬件簡(jiǎn)介：如圖1硬件系統(tǒng)原理框圖，組成如下：

（1）運(yùn)動(dòng)控制器：其核心是美國(guó)Delta Tau公司的Turbo PMAC2系列的Clipper集成控制卡。它是一臺(tái)完整的、實(shí)時(shí)的、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)。是針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化中控制要求而研發(fā)的控制系統(tǒng)。

（2）觸摸屏：選韓國(guó)M2I系列觸摸屏。具有多組編號(hào)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，加工

某一種產(chǎn)品時(shí)只需選擇對(duì)應(yīng)編號(hào)，則該編號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)出。

（3）光柵尺：全閉環(huán)控制的核心部件是傳感器，其性能將決定控制系統(tǒng)的最終控

制精度。機(jī)床控制精度要求為0.005mm，選擇發(fā)格SY系列光柵尺的分辨率為：

0.0005mm。

（4）伺服系統(tǒng)：選用安川7系列伺服電機(jī)，電機(jī)配備高分辨率24bit編碼器。

三、Turbo Pmac2 運(yùn)動(dòng)控制器軟件系統(tǒng)

Turbo Pmac2 運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)軟件構(gòu)成如下：

1、內(nèi)置PLC功能：支持多程序運(yùn)行，通過(guò)PLC程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并檢測(cè)和執(zhí)行人機(jī)觸摸屏及操作面板發(fā)來(lái)的指令信號(hào)，其主要功能包括安全運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算、邏輯控制、操作面板控制、運(yùn)動(dòng)程序的控制。其中實(shí)時(shí)計(jì)算完成砂輪修整的自動(dòng)補(bǔ)償：計(jì)算式X3=X2-P 其中P表示累計(jì)磨損量 X2表示修整前加工及修整起點(diǎn)X軸坐標(biāo)，X3表示修整后加工及修整起點(diǎn)X軸坐標(biāo)。而 P=P+S 該式表示每次砂輪修整后，磨損量累計(jì)計(jì)算一次。其中：P表示累計(jì)磨損量，S表示每次修整量。

2、固定功能運(yùn)動(dòng)程序：完成預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)，包括砂輪修整運(yùn)動(dòng)程序、螺紋對(duì)刀運(yùn)動(dòng)程序、螺紋加工運(yùn)動(dòng)程序、M代碼子程序、G代碼子程序。

3、變量定義：主要完成PMAC環(huán)境和功能的設(shè)置，包括I變量定義、M變量定義、坐標(biāo)系及軸定義、絲杠螺距補(bǔ)償表定義。

四、軌跡修整-數(shù)學(xué)建模

螺旋升角下對(duì)砂輪需要的形狀在X、Z軸坐標(biāo)平面內(nèi)的投影圖形進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

1、三角螺紋砂輪修形的數(shù)學(xué)模型：

三角螺紋砂輪的形狀為局部三角形。近似數(shù)學(xué)模型為：三角形高h(yuǎn)不變，底邊d（砂輪厚度）變?yōu)樵瓉?lái)的d/cosθ的近似三角形。θ表示砂輪的螺旋升角。h=（d/2）/tgα其中α表示砂輪的三角形砂輪頭半角。tgβ=（（d/2）/cosθ）/h= tgα/ cosθ ，β表示三角形砂輪頭半角投影在X、Z軸平面內(nèi)的角度。

2、雙圓弧螺紋砂輪修形的數(shù)學(xué)模型：

雙圓弧螺紋砂輪形狀為局部雙圓弧。數(shù)學(xué)模型為：短軸（X軸方向）為圓弧半徑R，長(zhǎng)軸（Z軸方向）為圓弧半徑R/cosA的雙橢圓曲線，如圖5。A表示砂輪的螺旋升角。按增量方式編程橢圓方程為：

將Z軸按0.002mm一步細(xì)分。每一步0.002進(jìn)行直線查補(bǔ)（I變量Isx92=0每一步之間運(yùn)動(dòng)混合在一起），再進(jìn)行多次while循環(huán)： Z（ΔZk） X（ΔXk），其中ΔZk=0.002 ΔXk按照橢圓方程求解如下所示：（其中k表示橢圓軌跡當(dāng)前循環(huán)步數(shù)，k值范圍為：1…（r/COSA）/0.002）如圖橢圓在坐標(biāo)內(nèi)的第一象限圖為砂輪右側(cè)曲線：由橢圓方程解每一個(gè)細(xì)分后的點(diǎn)坐標(biāo)如下：Z0=0 X0=R

Z1=0.002 X1=SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA） Z2=0.004 X2=SQRT（R*R-Z2*Z2*COSA* COSA）

…求得運(yùn)動(dòng)增量為：ΔZ1=0.002 ΔX1=（ SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA）-R）

ΔZ2=0.002ΔX2=（SQRT（R*R-Z2*Z2*COSA*COSA）- SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA）

…ΔZk=0.002ΔXk=（SQRT（R*R-Zk*Zk*COSA*COSA）- SQRT（R*R-Zk-1*Zk-1*COSA* COSA）

=（SQRT（R*R-（0.002*k）*（0.002*k）*COSA*COSA）-SQRT（R*R-（0.002*（k-1））*（0.002*（k-1））*COSA*COSA）

結(jié)論：該數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)控制，控制精度高穩(wěn)定性好。采用激光干涉儀進(jìn)行機(jī)床精度檢測(cè)結(jié)果為：X軸行程100mm定位精度0.0026mm。Z軸行程300mm定位精度0.0029mm。人機(jī)對(duì)話圖文并茂直觀方便。砂輪修整數(shù)控化軌跡修整，大大的減少了人工對(duì)修整的影響。但人工上下料，砂輪人工平衡。仍需提高智能化水平。滾珠絲杠傳動(dòng)方式，絲杠易磨損。以后向直線電機(jī)發(fā)展，響應(yīng)快，沒(méi)有反向誤差。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2000：315-336.

[2] DELTA TAU Data System，inc.Turbo Pmac/Pmac2軟件參考手冊(cè)[Z]，2011

[3] DELTA TAU Data System，inc.Turbo Pmac2-Eth-Lite硬件參考手冊(cè)[Z]，2012