一、項(xiàng)目簡介

對于現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床，對于附件部分的精度要求日益加強(qiáng)。我廠原有的銑頭是使用主軸進(jìn)行分度的，這種銑頭在用戶高精度的要求下逐漸被淘汰。因此，我廠新研發(fā)了一種自動(dòng)分度銑頭，仍舊使用主軸進(jìn)行分度，但是在銑頭上裝有編碼器，用來檢測銑頭分度角度。針對這種新型銑頭，電氣方面就有了新的控制方式。

這種帶編碼器的銑頭控制，我廠在840D、840DSL兩種數(shù)控系統(tǒng)中均已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。由于840D系統(tǒng)已經(jīng)停產(chǎn)，本文僅針對840DSL系統(tǒng)進(jìn)行描述。

帶編碼器的A/C自動(dòng)分度銑頭

二、項(xiàng)目方案系統(tǒng)構(gòu)成

1.機(jī)床控制結(jié)構(gòu)組成。

控制新型銑頭所使用的機(jī)床為我廠生產(chǎn)的TK6916B型重型數(shù)控落地鏜銑床。其控制軸分為X軸（滑座移動(dòng)）、Y軸（主軸箱移動(dòng)）、Z軸（滑枕移動(dòng)）、W軸（鏜軸移動(dòng)）、SP軸（主軸旋轉(zhuǎn)）、B軸（轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面旋轉(zhuǎn)）、V軸（轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面移動(dòng)）、U軸（平旋盤滑板移動(dòng)）共八個(gè)伺服軸，其中除了W軸、U軸為半閉環(huán)（使用電機(jī)編碼器控制位置）結(jié)構(gòu)外，均為全閉環(huán)（使用外置編碼器/光柵尺控制位置）結(jié)構(gòu)。

銑頭為A/C雙軸分度銑頭。在常規(guī)的老式銑頭基礎(chǔ)上，對A軸、C軸各增加了一個(gè)編碼器，用來檢測并控制銑頭的分度角度。

2.數(shù)控系統(tǒng)方案配置及說明，系統(tǒng)控制策略。

機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)配置NCU720.2，以及NX15模塊。NCU720.2連接主機(jī)部分的五個(gè)軸驅(qū)動(dòng)模塊（X、Y、Z、W、SP）；NX15用于控制轉(zhuǎn)臺(tái)（B、V）、平旋盤（U）等部分的三個(gè)軸驅(qū)動(dòng)模塊。

同時(shí)，因?yàn)槎丝跀?shù)量限制，在NCU720.2和NX15上各配置了一個(gè)DMC20模塊，用于連接全閉環(huán)接口。

對于這臺(tái)機(jī)床，主軸在平時(shí)與主軸自身編碼器形成一套全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，正常作為進(jìn)行主軸加工；但是在銑頭進(jìn)行分度時(shí)，需要通過主軸對銑頭分度進(jìn)行控制，即將主軸電機(jī)與銑頭編碼器形成一套全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，作為銑頭分度軸使用。同時(shí)，還需要編寫一套用于銑頭分度的子程序，以便簡化操作者的操作。

三、控制系統(tǒng)完成的功能

1.SETPOINTEXCHANGE功能描述。

經(jīng)查閱資料后，發(fā)現(xiàn)使用SETPOINTEXCHANGE功能可以很方便的實(shí)現(xiàn)銑頭的控制要求。

上圖為SETPOINTEXCHANGE功能的典型應(yīng)用示例圖。從圖中可見，其使用方式即為一個(gè)伺服電機(jī)對應(yīng)兩個(gè)外部編碼器，并且可以根據(jù)需要進(jìn)行切換，形成兩套獨(dú)立的全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在針對銑頭使用SETPOINTEXCHANGE功能時(shí)，需要做以下五項(xiàng)工作：

將銑頭編碼器接入到數(shù)控系統(tǒng)中，并使其生效；

配置虛擬軸A/C軸參數(shù)；

編寫PLC控制程序；

手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)并優(yōu)化A/C軸，使其動(dòng)作達(dá)到預(yù)期要求；

編寫A/C軸分度用子程序，以便實(shí)現(xiàn)控制的簡單化。

下面，將針對這五項(xiàng)逐項(xiàng)說明。

2.將銑頭編碼器接入到數(shù)控系統(tǒng)中，并使其生效。

NCU型號(hào)720.2，為840DSL1A版本系統(tǒng)，要求每個(gè)CU所帶的編碼器數(shù)量（包括電機(jī)編碼器）不能超過9個(gè)。NCU部分已經(jīng)使用了9個(gè)編碼器（5個(gè)電機(jī)編碼器，4個(gè)全閉環(huán)反饋），NX部分已經(jīng)使用了5個(gè)編碼器（3個(gè)電機(jī)編碼器，2個(gè)全閉環(huán)反饋），因此只能將A/C軸的編碼器接到NX上。

之后，將C軸編碼器作為U軸的第二環(huán)編碼器進(jìn)行設(shè)置。過程如下：

1）將C軸編碼器對應(yīng)的SMC20模塊連接到NX模塊的空余Drive-CliQ接口上，并在拓?fù)渲性黾酉到y(tǒng)組件.

2）在電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置中，將C軸編碼器配置為U軸的第二編碼器，線數(shù)為5000。

3）使用Start-UPTool，進(jìn)行軸分配。將C軸編碼器分配給U軸的第二測量系統(tǒng)。

4）上一步完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將U軸參數(shù)MD30200=2，MD30240[1]=1。需要手動(dòng)更改為MD30240[1]=0。也就是說，C軸編碼器已經(jīng)作為U軸的第二測量系統(tǒng)連接到系統(tǒng)中，但是并未使用。至此，C軸編碼器硬件連接完成。

下一步，對A軸編碼器的連接則比較麻煩。因?yàn)榫幋a器必須通過實(shí)際存在的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行連接，而本機(jī)床已經(jīng)不存在未使用的驅(qū)動(dòng)模塊了，因此我臨時(shí)增加一個(gè)單軸模塊，將A軸編碼器作為其第二編碼器連接后，再拆除模塊。過程如下：

1）將臨時(shí)增加的單軸電機(jī)模塊、A軸編碼器對應(yīng)的SMC20模塊連接到NX模塊的空余Drive-CliQ接口上，并在拓?fù)浞N增加對應(yīng)的系統(tǒng)組件。

2）在電機(jī)驅(qū)動(dòng)配置中，對新增加的電機(jī)模塊進(jìn)行配置。

3）電機(jī)選擇西門子電機(jī)，電機(jī)類型選擇異步電機(jī)，型號(hào)隨便找一個(gè)即可。

4）在配置電機(jī)編碼器時(shí)，第一編碼器空缺，將A軸編碼器設(shè)置為第二編碼器，線數(shù)為5000。

5）其他驅(qū)動(dòng)配置正常完成。

6）使用Start-UPTool，進(jìn)行軸分配。將虛擬軸分配給第11軸。因?yàn)橹爸辉O(shè)置了A軸編碼器一個(gè)編碼器，因此A軸編碼器被自動(dòng)設(shè)置為第11軸的第一測量系統(tǒng)。

7）上一步完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將第11軸參數(shù)MD30200=1，MD30240[0]=1。手動(dòng)將MD30240[0]=1。也就是說，A軸編碼器作為第11軸的第二個(gè)編碼器，第一測量系統(tǒng)（因?yàn)榕渲秒姍C(jī)時(shí)第一測量系統(tǒng)空缺）連接到系統(tǒng)中，但并未使用。

8）修改第11軸驅(qū)動(dòng)參數(shù)P600[0]=0（屏蔽電機(jī)溫度報(bào)警）、P125=0（不激活功率模塊），之后將臨時(shí)增加的電機(jī)模塊移除。至此，A軸編碼器硬件連接完成。

3.配置虛擬軸A/C軸參數(shù)。

1）設(shè)置必須的通用、通道參數(shù)，使得A/C軸及A軸編碼器可以被使用，并啟用SETPOINTEXCHANGE功能。參數(shù)修改如下：

MD19100=11（機(jī)床已經(jīng)使用8軸，A軸編碼器連接的臨時(shí)軸為11軸，A/C軸為9/10軸）；

MD20070[0]至[10]依次設(shè)置為1至11，即通道1中共11個(gè)軸生效；

選項(xiàng)功能不便給出，需要時(shí)請花錢購買。無選項(xiàng)功能時(shí)，在NC參數(shù)全部設(shè)置完成時(shí)有報(bào)警“26018”存在。

2）查看其他軸需要關(guān)注的參數(shù)。

需要關(guān)注要使用SETPOINTEXCHANGE功能的軸、A/C軸編碼器連接軸的參數(shù)如下：

其中，MD30110代表當(dāng)前軸的模塊序號(hào)；

MD30130代表軸是否有輸出；

MD30200代表當(dāng)前軸測量系統(tǒng)的數(shù)量；

MD30220[0]/MD30230[0]共同代表當(dāng)前軸第一測量系統(tǒng)的編碼器連接位置；

MD30220[1]/MD30230[1]共同代表當(dāng)前軸第二測量系統(tǒng)的編碼器連接位置；

MD30240[0]/[1]代表當(dāng)前軸第一/第二測量系統(tǒng)是否生效；

MD31050/MD31060共同代表當(dāng)前軸的傳動(dòng)比；

MD31020[0]/[1]代表當(dāng)前軸第一/第二測量系統(tǒng)編碼器的每轉(zhuǎn)線數(shù)；

由上圖可見，C軸編碼器的實(shí)際位置為第8軸的第二測量系統(tǒng)，線數(shù)5000；A軸編碼器的實(shí)際位置為第11軸的第一測量系統(tǒng)，線數(shù)5000，且均未在當(dāng)前軸生效。主軸（SP）的實(shí)際位置值為5，主軸傳動(dòng)比為1:10。

3）設(shè)置C軸參數(shù)如下：

其中，MD30110設(shè)置為5，與主軸相同，代表C軸與主軸使用SETPOINTEXCHANGE功能進(jìn)行切換；

MD30200設(shè)置為2，代表C軸有兩套測量系統(tǒng)；

MD30220[0]=5/MD30230[0]=1，代表C軸第一測量系統(tǒng)為第5軸的第一測量系統(tǒng)，也就是主軸電機(jī)編碼器；

MD30220[1]=8/MD30230[1]=2，代表C軸第二測量系統(tǒng)為第8軸的第二測量系統(tǒng)，也就是C軸編碼器；

MD30240[0]=1/[1]=1，代表C軸第一/第二測量系統(tǒng)均已生效；

MD31050=1/MD31060=10，代表C軸傳動(dòng)比為1:10。因?yàn)樵诜侄葧r(shí)，C軸使用實(shí)際主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此C軸傳動(dòng)比與主軸傳動(dòng)比相同；

MD31070=1/MD31080=5，代表在C軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，第二測量系統(tǒng)的傳動(dòng)比是1:5，也就是C軸旋轉(zhuǎn)1度，C軸編碼器旋轉(zhuǎn)5度。

4）設(shè)置A軸參數(shù)，其各參數(shù)含義與C軸相同。設(shè)置后，A軸第一測量系統(tǒng)為主軸電機(jī)編碼器，第二測量系統(tǒng)為A軸編碼器。

具體參數(shù)如下圖：

以上參數(shù)設(shè)置完成后，A/C軸參數(shù)設(shè)置完成，可以繼續(xù)進(jìn)行PLC程序編寫了。

4.編寫PLC控制程序。

程序的總體思路是：在A/C軸均未使用時(shí)，主軸有使能，可以正常使用；在A/C軸需要使用時(shí)，切斷主軸使能，并給A/C軸使能，A/C軸可以正常使用。注意：A/C軸不能同時(shí)使用，只能逐個(gè)軸進(jìn)行。

本文中不給出具體的PLC程序。程序控制流程圖如下（第1/2軸之間切換）：

5.手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)并優(yōu)化A/C軸。

給A/C軸使能，運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，觀察是否有抖動(dòng)、爬行、電機(jī)異響、異常報(bào)警等產(chǎn)生。通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)、軸參數(shù)等消除問題。

檢測銑頭精度。在必要時(shí)，通過反向間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償、垂度補(bǔ)償?shù)确绞綄︺婎^精度進(jìn)行補(bǔ)償，使之滿足設(shè)計(jì)要求。

6.編寫A/C軸分度用子程序。

根據(jù)銑頭的設(shè)計(jì)要求，A/C軸只有主軸在固定角度時(shí)才能夠放松并進(jìn)行分度（本銑頭為10度）。同時(shí)，在A/C軸已經(jīng)分度并加緊后，再次分度時(shí)，主軸也需要定位到上次的分度角度才可以再次分度。

C軸的分度子程序（HC）如下：

PROCHC(REALPITCH);定義C軸分度子程序名稱為HC

DEFREALSPunclP0=10;定義銑頭0度推出時(shí)的主軸角度

;使用R99存儲(chǔ)上次分度角度

M19;主軸回參考點(diǎn)

SPOS=R99+SPunclp0;主軸定位

G4F1

M67;C軸放松M指令

N10IFIN[9]==1GOTON20;等待C軸放松到位

GOTON10

N20G4F1

G0G90C1=PITCH;C軸旋轉(zhuǎn)

G4F1

M68;C軸夾緊

G4F1

N40IFIN[10]==1GOTON50;等待C軸夾緊到位

GOTON40

N50PITCH=R99;存儲(chǔ)C軸分度角度

M17

需要注意，程序中占用了R99作為存儲(chǔ)C軸分度角度，在其他加工程序中不允許使用。

A軸子程序（HA）與C軸類似，同樣占用R98用來存儲(chǔ)A軸分度角度。

子程序編寫完成后，復(fù)制到程序-用戶循環(huán)文件夾下，并對系統(tǒng)重新上電。

調(diào)用子程序時(shí)，只要在MDA或AUTO模式下，執(zhí)行HC(XX)或HA(XX)，則A/C軸會(huì)自動(dòng)完成主軸定位-放松-分度-夾緊等一系列動(dòng)作，簡化了操作者的使用難度。