1 引言

　　XK7136立式加工中心，原配美國AB公司的數控伺服系統和直流伺服電機；轉盤型刀庫的容量為16把刀，由氣動裝置實現自動換刀；主軸為德國INDRAMAT公司的模擬伺服主軸。加工中心原控制系統存在三方面的不足：(1)由于外界環境的影響模擬信號受干擾較大，又因機床為半閉環控制，定位精度不高，所以機床的加工精度不高；(2)在換刀找刀時，刀盤的旋轉步數由絕對方法計算，使找刀占用很長時間；(3)主軸由外部電路控制，沒有和系統通訊，控制不方便。經SKY數控系統改造后，實現了機床加工的高精度、高速度與易控制。

圖1 信號處理框

2 伺服系統的改造

　　SKY數控系統是在PC機平臺上開發的數控系統。它通過PC機的ISA多功能插卡，實現信號的轉換和輸入、輸出。在機床的改造中，采用SKY系統特有的雙位置閉環控制方式，伺服單元采用數字式交流伺服電機(圖1)。雙位置閉環克服了一般全閉環(速度環+位置環)的非線性影響，不會產生自持振蕩而無法工作。它是由位置檢測元件(光柵尺)和ISA插卡的位置比較器構成位置外環，由伺服電機所帶光電碼盤和ISA插卡的位置比較器構成位置內環形成的轉角-線位移雙閉環系統。由于轉角內環構成一個隨動系統，當系統位移指令發出后，外部位置環的位置檢測元件直接獲取工作臺的位移信息，并通過內環的跟隨性使伺服電機驅動工作臺。系統通過ISA插卡的位置比較電路，將光柵的反饋值與指令值進行比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止。此時光柵的反饋值等于指令值，理論上消除了機床間隙對精度的影響。光柵尺的精度為5μm，機床的加工精度很高。采用數字式交流伺服電機的優點是抗干擾能力強。指令信號以二進制碼的形式發出后，以一組脈沖信號進行傳送，不易受外界環境的干擾，而且二進制碼以檢測碼的形式傳送，以確保二進制碼的正確性。

圖2 S1.旋轉刀盤上的傳感器(接近開關) SCU.刀盤旋轉步數計算電路 I/OU.PC機與外部設備的通訊接口

3 換刀控制的改造

　　機床的自動換刀裝置(ATC)通過氣動，實現轉盤型刀庫的上、下、左、右移動以及夾緊/松開裝置的緊刀/松刀。刀盤的轉動通過馬氏輪傳動原理實現。

　　找刀的硬件電路設計

　　在換刀的控制中，我們對ISA插卡做了如下的處理(圖2)。當換刀指令M06 TXX發出后，系統程序根據當前刀號以及指令的目標刀號判斷刀盤的旋轉方向并計算出旋轉步數。然后通過低I/OU發出控制信號X0、X1至PLC控制旋轉電機的正、反轉(X0、X1的控制狀態如表1)。刀盤每轉過一個刀號，接近開關S1都會發出一個信號S1輸入至SCU，SCU計數一次，直到SCU計數值等于所需旋轉步數時，刀盤轉到目標刀號，系統程序控制I/OU輸出控制信號(0，0)到PLC，使刀盤旋轉電機停止。

　　找刀程序的算法

　　將旋轉刀盤的16個刀座號從1～16編號。假定：當前刀號存儲在斷電保護寄存器R1中：指令的目標刀號存儲于寄存器R2中。那么應旋轉的步數n=|R2-*R1|(n[0,15])。但若n＞8，則旋轉步數不是最少步數，所以必須改變刀盤旋轉方向，則旋轉步數為16-|R2-R1|(表2)。根據此算法可以計算出刀盤最少所需旋轉的步數和判斷出刀盤的旋轉方向。

　　當系統收到M06 TXX指令后，系統程序首先將R2與R1比較，n=R2-*R1。若n=0,則M06完成；若n≠0，則系統開始判斷刀盤的旋轉方向并計算刀盤的旋轉步數，同時使Z軸回到換刀點。然后系統發信號使PLC有順序的控制主軸的定位、刀盤的上、下、左、右移動以及緊刀/松刀等各個動作。

圖3 D/AC.數/模轉換電路 SOC.主軸轉速倍數電路 SCU.主軸

4 主軸控制部分的改造

　　將SKY數控系統與INDRAMAT模擬伺服主軸控制單元進行通訊，是改造主軸控制部分必不可少的步驟。通訊的實現也是由ISA插卡和PLC連接主軸控制單元完成的(圖3)。當系統收到主軸旋轉指令時，系統根據指令的轉速大小和當時主軸轉速倍數的乘積，發送一個二進制數碼(以補碼形式，易判斷其正負)給ISA卡的D/AC，將其轉換成模擬信號輸出到SCU中。系統發出的是一個32位二進制數碼，D/AC轉換成+10～-10的模擬信號，轉速由SCU中設定的最大轉速vsmax和當時的模擬電壓值U確定，計算公式為：vs=U*vsmax/10。當U值為正量，主軸旋轉方向為順時針；U值為負時，主軸旋轉方向為逆時針。當系統收到指令M03 SXXXX，則指令值為正，U值為正，主軸順時針旋轉；若指令為M04 SXXXX，則指令值為負，U值為負，主軸逆時針旋轉。

　　PLC控制主軸控制單元SCU中的某些開關信號，如主軸使能信號。當系統收到M03或M04指令時，I/OU發出信號告之PLC，PLC使主軸使能信號為高電平，主軸旋轉。

　　這臺加工中心經過SKY數控系統改造之后，提高了加工精度和換刀速度，主軸的控制更方便，主軸轉速偏差減小。