西門子828D數控係統（tǒng）在展刀上的應用研究-刀（dāo）具網-數控（kòng）機床市場網

您現在的位（wèi）置：數控係統網> 技術（shù）前沿>西門子828D數控係統在展刀上的應用研究

西門子（zǐ）828D數控係統在展刀上的應（yīng）用研究

2024-1-23 來源：萬（wàn）向（xiàng）錢潮股份公司作者（zhě）：張銀橋姚禮軍

摘要：基於西門子828D數控係（xì）統（tǒng），設計了一套帶有展刀頭的車加工機床控製係統，主要由西門子828D數控係統、基恩士高精度接觸式傳感器、輸入/輸出（chū）模塊、S120伺服驅動器、伺（sì）服（fú）電機和絕對（duì）位置編碼器組成（chéng）。利用數控係統的軸耦合功能（néng），使展刀徑向（xiàng）位移與軸向進給能夠在金（jīn）屬切削加工時做到插補運算，滿足外圓、圓弧、倒角等加工要求。與普通數控車床相比，應用展刀技術的車（chē）床具有加工效率和精度高，剛性好，機床結構緊（jǐn）湊，操作（zuò）方便等特點。

關鍵詞：展刀頭；展刀（dāo）動力頭結構（gòu）；虛擬軸；軸耦合；伺服控製

0 引言

展刀頭是一種在隨主軸（zhóu）旋轉時還驅動刀具進行徑向位移的裝置，常用於非標準專用切削類機床。其動作與原理如下：通過驅動位移拉杆向後位移來帶動滑塊移動，主要是位移拉杆驅動斜（xié）柄使滑塊做徑向位移，從而帶動安（ān）裝在（zài）滑塊上的刀（dāo）架（jià）在（zài）旋轉的同時做徑向運動進行切削。雙刀展刀頭（圖1）應用廣泛，適用於圓孔內外加工（gōng）、車銑、車牙（yá）、搪溝槽、錐形、凹麵或凸麵等圓球麵加工（gōng）。

圖1 展刀頭示意圖

1、驅動方式分類及展刀動力頭結構

針對展（zhǎn）刀盤滑塊徑向運動，目前有兩種驅動方式，一種是靠（kào）液壓傳動來（lái）控製展刀徑向（xiàng）行程（chéng），另一種是通過伺服來控製展刀徑向（xiàng）行（háng）程。其中，液（yè）壓控製展刀響應速度慢、精度低，應用場合有（yǒu）限；而伺服控製展（zhǎn）刀響應（yīng）速（sù）度快、精度高，可以利用現有數控技術的插補功能，

實現圓弧麵加工。

文獻（xiàn）[1]的專利提供了一種展刀（dāo）動（dòng）力頭結構（圖2），其由雙伺（sì）服驅動分別驅動展刀頭旋轉和展刀滑塊相對移動，主要包（bāo）括主軸、絲（sī）杆、滑塊、展刀盤和主軸箱體，主（zhǔ）軸通（tōng）過兩隻主（zhǔ）軸軸承支承在主軸箱體上，外部的伺服電（diàn）機（jī）通過驅動帶輪驅（qū）動主軸旋轉，帶動展刀盤上的刀（dāo）具做旋轉運動。具體傳動方式如下（xià）：展（zhǎn）刀盤22中心的滑塊7沿主軸軸向做前後運動時，滑塊7兩側的斜齒結構驅動（dòng）徑向的刀體滑軌21做（zuò）徑向運動，從而驅動安裝在其上麵的刀具進（jìn）行徑向調節，主軸3前端安裝絲杆6用於驅動滑塊7，絲杆6由螺母座套筒8後端的展刀（dāo）帶輪5驅（qū）動，通過控製（zhì）展刀帶輪（lún）5與主（zhǔ）軸3之間的差速，實現對絲杆6精（jīng）確的位置（zhì）控製。

1—主軸軸承A；2—主軸軸承B；3—主軸；4—主（zhǔ）軸帶輪；5—展刀帶輪；6—絲杆（gǎn）；7—滑塊；8—螺母座套筒；9—軸承；10—支撐軸承（chéng）；

15—螺母；21—滑軌；22—展刀盤；40—配油（yóu）器（qì）；51—主軸箱（xiāng）體；61—配油管。

圖2 展刀動力頭結（jié）構

2、伺服驅動（dòng）的具體實現方法

2.1 係統配置

設備控製采用（yòng）西門子828D數控係統，配備3個驅動器和3個伺服電機。其中（zhōng）一個伺服控製主軸帶動展刀（dāo）盤（pán）旋轉；一個伺服控（kòng）製刀體滑塊移動，需要（yào）配合主軸做同步（bù）運動才能控製展刀位置穩定不變，當需要改（gǎi）變展刀徑向位置時，要求（qiú）當（dāng）前伺服電機在耦合（hé）主軸同步轉速的基礎上進行（háng）位（wèi）置控製，耦合技術詳見文（wén）獻[2]；剩下的一個伺服控製整個展刀動力頭（tóu）做軸向往（wǎng）複運動。在選擇（zé）828D數控係統車（chē）床版本時，要（yào）注意選擇能夠兼（jiān）容四軸及以上的（de）版本，因為（wéi）控製（zhì）設備（bèi）運行時用到虛（xū）擬軸技術，占用一（yī）個軸的位置，它是由主軸和控製展（zhǎn）刀的伺服軸耦合出來的，在係統（tǒng）上表示（shì）展刀徑向位（wèi）移，並且在數控係統裏（lǐ）要對虛（xū）擬軸進行NC參數設定。數控（kòng）係（xì）統需配置“電子齒輪”功能選項，使用輔助（zhù）功（gōng）能“電子齒輪”可以控製跟隨軸運動，使之（zhī）按照線性運動偏移（yí）與最多五個引導軸相關聯運動，引導（dǎo）軸和跟隨軸之間的關（guān）聯按照每個引導軸通過（guò）耦合係數進行定義，算出的（de）跟隨軸運動分量是由單個引導軸運動（dòng）分量乘各自的耦合係數（shù）通過加（jiā）法構成。

2.2 係統輸入/輸出分配（pèi）及作用

係統的輸入（rù）/輸出配置如表1所示，其中DI0.1～DI0.4接的是基恩（ēn）士（shì）GT2-70係列接觸式位移傳感器，該傳感器有5路輸出（chū），分（fèn）別為良、H、L、HH、LL，表示傳感器將量程分（fèn）成了（le）5段，測頭位於相應的分段內，傳感器就給出對應的信號，把（bǎ）“良”信號接入係統背麵X242.6接口，用於快速響應，其餘（yú）傳感器（qì）輸出接入PLC輸入口。

該傳感器安裝在（zài）展刀動力頭末端，用於測量展刀滑塊的移動量，盡管（guǎn）展（zhǎn）刀滑塊在展刀盤內部，無法直接測量，但是可以通過（guò）測（cè）量連接展刀滑（huá）塊的絲杆的相對位置的移動，通過（guò）換算間接測得展刀滑（huá）塊徑向移動的距離，測得的絲杆（gǎn）的（de）位置變化與展刀徑（jìng）向位置變（biàn）化（huà）成線性關係。設備在進行車削加工前需確定一個基準點，在基準點這個位置，測量得出展刀盤上兩把車（chē）刀刀尖距離，這個具體同位置（zhì）傳感器當前讀數對應，當（dāng）每次找（zhǎo）到這個基準點時，設備總是能知道當前車刀刀尖距離。但設備實際運行過程中，傳感器測到這個基準點時會有信（xìn）號傳遞上的誤差，如果以控製係統收到這個信號為基準點，時間上的差異（yì）將導致基（jī）準的重複精度（dù）不夠，滿足不了設備加工要求。聯想到傳（chuán）統的帶相對位置編碼器的伺服回零方（fāng）案，也是先找到回零信號，再尋找編碼器零（líng）點信號完成回零動作。設備主軸和同（tóng）步軸（zhóu）都（dōu）采用了單（dān）圈絕對位（wèi）置編碼器，當找到傳感器的基準點後，接著讓同步軸（zhóu）往固定方向轉動（dòng），直到主軸和同步軸角（jiǎo）度（dù）數值完全一致，這樣就可以非常（cháng）精確地對零。

表1 IO輸入（rù）/輸出表

2.3 係統的連接和功能調（diào）試

係統的連接根據西門（mén）子（zǐ）提供的828D簡明調試（shì）手冊進行，在數控係統裏將所有NC軸配置完成，並根據828D數控（kòng）係統參數手冊設置好對應軸的NC參數，X軸是伺服進給軸，U軸是同步主（zhǔ）軸，SP是主軸，V軸是主軸（zhóu）和同步軸耦合出來的虛擬軸（zhóu），代表徑向位置，V軸的位置0表示（shì）尋零位後的參考位置，不（bú）代表展刀盤上的兩個刀尖實際距離為0，因此需要（yào）在設備（bèi）回零後，測量兩把刀尖實際距離（lí），並把對應的數值換算後寫入V軸偏置設定中，這樣設備（bèi）在實際（jì）加（jiā）工（gōng）作業時，X軸（zhóu）和V軸（zhóu）是兩個互為插（chā）補軸。

同步功能的啟用，根（gēn）據828D工作準備部分編程手冊，首先（xiān）在“製造商循環”目錄下導入CYCPE_MA文件，類型為（wéi）SPF，用（yòng）記事（shì）本打開內容為：

每次係統重啟上電就執行同步（bù）動作，將主軸和同步主（zhǔ）軸的速率實時提取出來，分別賦值給DB4900.DBD8和DB4900.DBD12，PLC通過對這兩個數據的處理，可以實時監控這兩個軸的轉速和同步功能執行情況（kuàng），並做出相應的應答處理。在係統上電完成，未運行任何程序的情（qíng）況下，主軸和同（tóng）步主軸還沒有（yǒu）處於耦合狀態，隻是PLC程序（xù）對兩個軸的速度進行了監控。要想耦合軸（zhóu）數（shù）控係統需要運行一段加工程（chéng）序，在該程序中，還要完成展（zhǎn）刀的尋零動作，保（bǎo）證每一次設（shè）備斷（duàn）電重啟之（zhī）後找到的都是同一個零點，也就是找到零點時，雙展刀的刀尖距離都是同一個（gè）數值。以下是運行的加工程序：

1.EGOFS(U1)

程（chéng）序運行原理如下：

第一步，取消（xiāo）耦合功能，讓主軸和（hé）同（tóng）步主軸處於能夠自由運動狀態，理由是當設備完成耦合功（gōng）能時，可能需要（yào）再次進行回零操作，這時候如果沒有取消耦合功能的話，同步主軸處於耦合狀態，隻（zhī）能跟隨主軸同步運行，無法（fǎ）實現自由轉動，也就不能執行尋找零位。

第二步，取消（xiāo）展刀（dāo）滑塊到達限位就觸發（fā）係統複位的限製，然後執行（háng）同步主軸往展刀張開方向轉動，當展刀滑塊達到張開最大限位（wèi）時（即傳感器測頭（tóu）位（wèi）於LL區域）同步主軸停止，主軸往反方向轉動3 s停止，使展刀滑塊（kuài）往回收（shōu）縮（suō），接著同步主軸往反（fǎn）方（fāng）向轉動，使展刀滑塊進一步收攏（lǒng），一直到零點信號（即傳感器測頭位於“良”區（qū）域）觸發停止。零點信號直接接入係統背（bèi）後的快速輸入/輸出點X242.6，提高零點信號的係統響應速（sù）度。接著，定位同步主軸使同步（bù）主軸角（jiǎo）度跟隨主軸角度持一致，至此，整個尋零動作（zuò）完成（chéng）。

第三步，改變限位功能，$A_DBB[0]=0，通過PLC對這個信號的處（chù）理，當展刀滑（huá）塊（kuài）運行（háng）到設（shè）定的最大距離（即傳（chuán）感器測頭位於“LL”區域）和最小（xiǎo）距離（即傳感器測頭位於“HH”區域）時，係統（tǒng）能做出複位的應答反（fǎn）應並進行報（bào）警提示，目的是保護展刀頭，由於展刀頭上

的（de）滑塊有機械位置限製，在到達機械限位之前先觸發軟限位，可以（yǐ）起到保護機械機構的作用。

第四步，應用軸耦合指令開啟軸同步功能，並對耦合關係進行參數設定，當前（qián）程序中，使用了一個跟隨軸U與兩個引導軸（分（fèn）別是SP1軸（zhóu）和V軸）的耦合關係（xì），SP軸為實際（jì）主軸，耦合類型（xíng）為0，V軸為虛擬（nǐ）軸，耦合類型為1，並在下一行指令中（zhōng）對電子齒輪比值（zhí）進行了設定，當完成同步功能後，不能對頁麵上的同步主軸U進行單獨控（kòng）製，它是跟隨（suí）主軸SP1和V軸的位置關係分量進行耦合計算後得到的，在加工程（chéng）序中，X軸表示進給，V軸表示展刀徑向（xiàng）位置，SP是（shì）主軸，加工程序的編寫跟普通（tōng）車床類似，具體如下：

這是一段（duàn）車外圓並有圓弧（hú）台階銜接的圓柱體（tǐ）的程序，X坐標是圓柱體軸向位置，V坐標是車（chē）刀徑向位置，兩把車刀對稱布（bù）置，切（qiē）削（xuē）徑向（xiàng）力可以相互抵消，加大一次走刀量，大大提高加工效率。

3、結語

通過引進先進的展刀結構理念，本文分析設計了（le）展刀動力頭傳動機構，結合西（xī）門（mén）子828D虛擬（nǐ）軸耦合技術，將展刀複雜的控製運算化（huà）簡為一台普通車床（chuáng）的編程邏輯，並進行實物製作和實踐應用，取得圓滿成功。應用了展刀技術（shù）的（de）車床跟普通數控車（chē）床相比，具有加（jiā）工效率和精度高（gāo），設備剛性（xìng）大，加工尺寸穩定（dìng），編程簡單等特點（diǎn），相信類似的應用在金屬加工（gōng）行業中會（huì）越來越廣泛（fàn）。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新（xīn）聞（wén）稿件發表，或（huò）進行資訊合作，歡迎聯（lián）係本（běn）網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企（qǐ）推薦

業（yè）界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃（cuì）

| 更多

數控機床