技术

V₁2000 2T数控机床是一台大型五坐标龙门铣床，本身不具备自动换刀功能，为了提高加工效率，于九十年代初期对其添加了自动换刀机构和主轴准停机构。由于当时技术及经费等原因，采取对其添加额外的准停机构，由准停机构带动主轴旋转，实现主轴准停。由于原准停装置包含步进电机、蜗轮、蜗杆等，占用机床大量加工空间，而且准停时主轴慢慢向准停机构上靠近，造成准停时间过长，不适合机床加工要求。当前，对本机床的电气控制系统进行了彻底更新，机床改造后的控制系统采用NUM 1060，驱动系统采用SIMODRIVE 611A。利用这次机床改造机会，取消了原准停机构、准停方式等。利用西门子611A自身的特点，实现了一种新的便捷、快速、可靠的方式实现主轴的准停。

由于机床结构的限制，在机床主轴上无法安装编码器，所以我们采用的主轴准停方式是用无触点开关或光电开关来检测主轴头上的刀具定位键，然后发送脉冲给伺服系统，作为主轴准停时的零位脉冲信号，伺服系统根据预先设定的参数进行定位控制，获得精确的主轴定位。这种准停方法不需内部改动，外加装置只需一个无触点开关，参数的设置也比较简单，所以是一种比较理想且易于实现的解决方法。

一．工作原理

V₁2000 2T机床的伺服系统采用的是西门子公司的SIMODRIVE 611A，在此系统中有位置监测功能，输入接口，可编程输入输出端子及大量的功能参数，可以很方便的进行功能的扩展和开发。此次准停机构改造的思路是通过PLC程序激活主轴定位功能后，由伺服系统检测主轴旋转到位的BERO脉冲信号（由无触点开关发出），然后根据设定的功能参数分阶段进行主轴定位操作，获得精确的主轴定位。利用伺服系统主轴驱动单元的可编程输入和输出端子，定义主轴准停功能和相应的参数。主轴定位功能见图1。

准停命令（M19）由操作人员给出，PLC检测到准停命令时发出准停触发脉冲，伺服系统监测BERO脉冲信号，获得BERO信号后伺服系统开始进行主轴准停操作。准停过程如图2所示。

图1      伺服系统主轴定位示意图

图2      准停过程示意图

主轴准停过程分为三个阶段，即刹车（阶段1）、匀减速1（阶段2）、匀减速2（阶段3），三个阶段可根据到准停点的距离来调整其宽度和斜率（设定参数为P-134, P-135, P-136, P-138, P-139）。当准停开始时，主轴会以预定转速（由参数P-146设定）开始准停，如果准停时主轴转速低于预定速度，主轴将加速到预定速度，再开始准停，这样可以避免主轴准停时由于主轴转速过低产生的爬行现象，减少准停过程的时间。

主轴进行准停时，主轴可能处在不同的档位上，可以选取两个可编程输入端子（E1～E9）用来定义功能号23和功能号27，用于监测主轴当前所处的档位。在某一档位下，主轴准停时的偏移量可选取参数P-121、P-122、P-124、P-125等来设定。参数的设定见表一。

表一  不同档位下的参数设定

功能号23	功能号27	主轴档位	偏移量参数
0 1 0 1	0 0 1 1	1 2 3 4	P-121 P-122 P-124 P-125

二．相关参数设定

1．  可编程输入输出端子的参数设定：

主要用于选取可编程输入输出端子，监控主轴档位，以及定位完成后的信号输出等，见表二（可编程输入输出端子的选取根据情况而定，本文只作示例，下同）。

表二  输入输出端子的参数设定

功    能	描     述	功能号	接入端子
定位开始	定位使能信号，输入高电位时开始定位操作	28	E2(P-082)
位置参考值1…2	定位参考值1…2，与功能号27组合使用，监测主轴档位，由参数P-121,122,124,125定义	23	E3(P-083)
位置参考值3…4	定位参考值3…4，与功能号23组合使用，监测主轴档位，由参数P-121,122,124,125定义	27	E4(P-084)
位置到达1/2	主轴定位完成输出信号，定位偏差度由P-144/145设定	9/10	A21(P-242)

2．  其它功能参数：

主要包括定位使能，定位过程的调整，定位偏移量，连续零位脉冲之间最大脉冲数，定位触发方式，参数写保护，参数监控等，具体参数设定略。

三．控制方案

1． 

选用SIMODRIVE 611A的可编程输入E2、E3、E4和可编程输出A21，定义所需的参数。

E2                 定位开始 (P-082 = 28)

E3                 位置参考值1...2  (P-083 = 23)

E4                 位置参考值3...4  (P-084 = 27)

A21                 位置到达1/2  (P-242 = 9/10)

E2为准停开始信号，E3、E4作为主轴当前档位监测输入，其具体定义见表一。A21为准停完成信号。

2．  由无触点开关发出的BERO脉冲信号接入伺服系统面板的BERO输入接口（X432或X433），用于检测主轴准停位。

3．  定义PLC的输入和输出

输入：M19，准停信号，PLC自定义M功能。

         A21，准停完成信号，伺服系统可编程输出

输出：主轴准停开始：定位开始 (E2)

         主轴档位监测：位值参考值1…2 (E3)

         主轴档位监测：位置参考值3…4 (E4)

4．  PLC程序设计

PLC主程序中添加主轴准停指令（M19），用于触发系统主轴准停功能。同时完成主轴档位的监测和输出、准停模式的触发（Position Module）、主轴准停完成信号的监测等。

5．  主轴准停的控制流程

见图3所示。

                          

图3  主轴准停的控制流程图

四．结论

改造前，主轴准停一次需要10~20分钟，这对高速加工来说是无法接受的，改造后主轴准停时间大大减少，经参数优化后，准停时间为3~5秒钟。重复定位精度相对于换刀机械手来说可以忽略不计，固定旋转方向准停时可以不考虑机械间隙的影响。

       经过改造，不但大大减少了准停时间，而且不占用机床任何加工空间，同时，操作起来方便易行，维护工作也仅限于无触点开关，与原准停机构相比，各类指标均有质的提高。改造前后准停机构性能对比见表三。

表三  改造前后准停机构性能对比

	准停时间	占用空间	可靠性	精度	准停方式	附加机构	后期维护
改造前	10~20 分钟	大量	不可靠	低	被动式，附加机构带动主轴进行准停	步进电机、驱动、传动等一整套机构	维护量大
改造后	3~5秒	无	可靠	高	主动式，伺服系统控制主轴进行准停	外加一个无触点开关	维护量小，仅限于无触点开关