1　前言

　　在數(shù)控車床行業(yè)中，目前國內使用的大都是以步進電機作為驅動元件構成的經(jīng)濟型車床數(shù)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大多采用單片機作為控制核心，以開環(huán)方式工作，功能少而且故障率較高。在如今車床的改造過程中，我們應用的SKY普及型車床系統(tǒng)，以其獨特的雙位置閉環(huán)控制方式，全面兼容的標準高速64位PC控制核心，方便的自動對刀功能，強大的CAD/CAM/CNC一體化功能，發(fā)揮出國外系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢，給用戶帶來良好的經(jīng)濟效益。
2　控制原理

　　常規(guī)閉環(huán)機床位置控制系統(tǒng)的設計，是在速度環(huán)基礎上加位置外環(huán)構成閉環(huán)系統(tǒng)。由于這類系統(tǒng)難以克服非線性因素的影響，常因自持振蕩而無法工作。為了克服系統(tǒng)這種缺陷，以轉角—線位移雙閉環(huán)位置控制方式，使數(shù)控技術達到一個嶄新的的層次。由其構成的位置控制系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖1所示。

　　該系統(tǒng)由內外雙位置環(huán)組成。其內環(huán)為轉角位置環(huán)，檢測元件為裝于電機軸上的光電碼盤，驅動裝置為交流伺服系統(tǒng)，由此構成一輸入為θi、輸出為θo的隨動系統(tǒng)。外部位置環(huán)采用光柵、感應同步器等線位移檢測元件直接獲取機床工作臺位移信息，并以內環(huán)的轉角隨動系統(tǒng)作為驅動裝置驅動工作臺運動，并且引入Gc(S)組成的前饋通道，構成復合控制系統(tǒng)，大大提高了其跟隨性能。因為工作臺的精度由線位移檢測元件決定，所以在理論上消除了機床間隙對精度的影響。

3　系統(tǒng)組成及應用

　　系統(tǒng)控制部分結構框圖如圖2所示，共分6個主要部分：伺服機構、位置反饋、自動對刀、開關量控制、主軸控制、主軸反饋。

　?。?）伺服部分　根據(jù)車床傳動部分的機械特性，我們選用相匹配的進口交流數(shù)字式伺服電機。根據(jù)改造后車床的精度要求，選用相匹配的光柵尺作為線位移檢測元件。常規(guī)5V方波光柵尺的分辨率為5μm，其精度可達到0.01mm，讀數(shù)頭******快移速度達24m/min，可以保證數(shù)控車床的精度及穩(wěn)定性。實際上系統(tǒng)分辨率可達0.5μm。采用更高精度的檢測元件，已經(jīng)使系統(tǒng)工作精度達到1μm。
　?。?）主軸部分　為實現(xiàn)系統(tǒng)對主軸部分的實時控制，我們采用配套的變頻器，如三菱、松下、臺安等對主軸電機進行轉速及轉向的控制。同時配合車床自身機械變速機構，可避免其在低頻下振動與扭矩降落現(xiàn)象。系統(tǒng)將通過PLC實現(xiàn)對變頻器轉向的開關量控制，通過0～10V模擬量輸出可實時對電機轉速進行控制。這樣即可實現(xiàn)加工過程中的恒線速度切削。
　　另外，在主軸上（即C軸）裝配相應的光電編碼器，將其轉速以脈沖形式進行計數(shù)并反饋給計算機，系統(tǒng)根據(jù)其計數(shù)結果能實現(xiàn)軟件同步螺紋切削。這種方法通過對C軸的位置反饋信息進行數(shù)字化處理，動態(tài)提取同步信息，實時預測牽入同步點，并據(jù)此進行柔性牽入同步控制，以無中斷方式實現(xiàn)了多次切削過程的軟件準確同步。它大大提高了系統(tǒng)的可靠性，使螺紋車削精度得到可靠保證。
　?。?）刀架部分　通過計算機與PLC的組合，實現(xiàn)了對刀架換刀的準確控制。其控制流程圖如圖3。計算機發(fā)出換刀指令后，PLC接收其信號并動作，控制刀架電機正向旋轉。同時檢測刀架各刀位的位置反饋信號，并與計算機發(fā)出的刀號指令比較，直到一致時，停止刀架電機正向旋轉，同時PLC控制刀架電機反轉鎖緊。鎖緊到位后，PLC發(fā)出換刀完成信號給計算機，此時換刀動作結束。

　?。?）快速自動對刀部分　配上附件對刀器，實現(xiàn)了有人工參與的快速自動對刀。其工作原理圖4可簡要說明。對刀模塊上有兩個對刀面A、B，其位置關系已知。在系統(tǒng)控制下，刀具刀尖分別觸及對刀面A、B的瞬間，采樣X、Z坐標值，即可求得刀尖坐標。即確定了該刀具在機床坐標系中的位置。若刀具刀尖為圓弧形，刀尖觸及A、B面時，采樣到的X、Z坐標值為圓弧與對刀面接觸點的相關坐標。此時系統(tǒng)將根據(jù)刀尖半徑與對刀面的幾何關系，通過計算求解出刀尖圓心坐標，以此確定刀具位置。利用快速對刀功能，對一把刀只需1min左右。且對刀精度高，大大減少了加工的輔助時間，有效地提高了勞動生產(chǎn)率與車削加工質量。

4　結論

　　經(jīng)過改造后的車床，如云南機床廠的C6140車床、泰興機床廠的C6150車床等，能發(fā)揮出普及型數(shù)控車床的全部功能，精度高、可靠性好、操作容易。該機床再配合系統(tǒng)強大的CAD/CAM/CNC三位一體的軟件編程功能，使其能加工多種精度要求高、形狀復雜的工件，從而給用戶創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟效益。