1 CNC八轴控制

1. 原八轴的控制
2. 现八轴的控制
3. PLC控制轴改为CNC控制轴的一些特殊性
原控制系统是日本FANUC-15M系统，其CNC部分直接控制两个主轴(一个电动机驱动两个主轴，即C轴)和X、Y、Z、A四个轴，并通过PLC和STAMA公司自制的接口控制回转工作台(C2轴)、刀库轴(Q轴)和直线运动式机械手轴(V轴)。PLC共占用I/O点为288/192点。C2轴(回转式工作台)分为两个工作区，在一个工作区进行加工的同时，另一个工作区可以装卸工件，两个工作区每循环一次就可以加工出八个工件。另外原机床的换刀有其特殊性，由Q轴(刀库轴)、V轴(直线式机械手轴)和Z轴等三个轴共同配合完成换刀动作。其过程是：当有换刀指令时，Q轴转到正确刀位，V轴带着机械手到刀库取刀，再移动到主轴端，机械手的另两爪抓住主轴上的两把刀，然后通过Z轴向上运动来拔刀，机械手转动180°以后，Z轴又下降将新刀插入主轴，V轴再回到刀库将换下的刀插入刀库原位置。所以换刀全过程涉及到三个轴的运动和机械手的各种动作，以及大量的电磁阀和位置检测元件，整个动作比较复杂。


图1

图2

由于FANUC-15M系统是对我国禁运的产品，经调研论证后，我们选用了四轴联动的SIEMENS-840D数控系统。主轴和X、Y、Z、A轴直接由CNC控制，可完全达到原来的技术指标。而原PLC控制的C2、Q、V三轴，也改为CNC直接控制。由于选用的西门子标准操作面板不占用外部I/O点，同时伺服电动机内部有专用的位置编码器，节约了大量的I/O点，所以PLC控制占用的I/O点减少到192/160点。实现了原机床的PLC功能，优化了PLC程序，改善了原机床的功能。具体方法如下述。
1. Q轴的控制方法 原Q轴的控制框图如图1。当CNC发出换刀指令时，通过PLC送出数字指令和各控制信号，通过接口电路转化为模拟指令，再通过西门子驱动器驱动电动机转动。随刀库同步转动、且对应56把刀的绝对编码器ENC2将刀号的粗位置反馈回PLC，达到粗定位的目的，然后再由精密电位器：来精确定位，进而进行后续的换刀工作。在此机械传动链中，以上两个位置传感器均不安装于电动机内。机械传动链示意图如图2。
   经过多级齿轮和蜗杆、蜗轮传动，电动机与绝对编码器(ENC2)的传动比为157.357/1，而电动机与精密电位器(R)的传动比为2.81/1，均不为整数。与系统配套的伺服电动机内装有增量编码器，但用来确定刀具位置就不合适了，因为其没有一一对应的关系。在分析了整个刀库传动机构和编码器特性后，我们采用了外置增量式编码器，安装于电位器R的位置，即编码器与刀库的传动比为56:1，这样就可以像X、Y、Z、A轴一样，方便地回到参考刀位(定为1号刀)，且每一刀位又和编码器有一一对应关系，这种对应精度又因CNC的128倍频的作用而胜于原精密电位器定位，从而达到了粗精定位两种目的，实现了刀库轴的功能。
2. V轴的控制方法 原控制框图类似于Q轴控制图，只是没有电位器精定位。V轴位置由绝对编码器(ENC2)来检测。本次改造中V轴的控制也采用直接由CNC控制。由于V轴藏于主轴立柱腔内，不便返回参考点，必须要有位置记忆，因此我们选用了与840D配套的绝对位置编码器来覆盖V轴的全行程，再配合西门子电动机内置位置编码器共同完成V轴的精确定位，达到