摘 要：本文提出了一種適用精密切割的數(shù)控車床設(shè)計(jì)方案。該方案采用機(jī)械觸發(fā)式傳感器，通過控制車刀運(yùn)動(dòng)來觸發(fā)傳感器，PLC把傳感器得到的信號傳給數(shù)控系統(tǒng)，再由系統(tǒng)來進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。機(jī)械觸發(fā)式傳感器與PLC的輸入擴(kuò)展端的連接線簡單，而且易于維護(hù)，比用其它的傳感器降低了成本。
關(guān)鍵詞: PLC;數(shù)控機(jī)床;精密;NUM;傳感器

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的進(jìn)步，社會對產(chǎn)品多樣化的需求越來越強(qiáng)烈，產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期也越來越短，中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，從而對制造設(shè)備提出了更高的要求。為滿足市場的需要，要求制造設(shè)備具有高效率、高質(zhì)量、高柔性及低成本的性能，數(shù)控機(jī)床作為一種自動(dòng)化的加工設(shè)備而被廣泛采用。同時(shí)，隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)向更高層次的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也必將成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的基礎(chǔ)裝備。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜、高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備，己成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。

PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器是20世紀(jì)60年代末期逐步發(fā)展起來的一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC作為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的嶄新產(chǎn)品，也是開放式數(shù)控系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。它在處理開關(guān)量的控制問題時(shí)起著重要作用。現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床一般可分為機(jī)床床體（MT）、NC和PLC三部分。數(shù)控機(jī)床中NC和PLC協(xié)調(diào)配合共同完成對數(shù)控機(jī)床的控制，其中NC主要完成管理調(diào)度及軌跡控制等“數(shù)字控制”工作，PLC主要完成與邏輯有關(guān)的一些動(dòng)作，如刀具的更換、工件的夾緊及冷卻液潤滑液的開停。PLC技術(shù)在各種工業(yè)過程控制、生產(chǎn)自動(dòng)線控制中得到極為廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用技術(shù)。

在數(shù)控機(jī)床上有兩類控制信息:一類是控制機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸的位置信息，如數(shù)控機(jī)床工作臺的前、后、左、右移動(dòng);主軸箱的上、下移動(dòng)和圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)位移量等。這些控制是用插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋位置比較后得到的差值，對伺服進(jìn)給電機(jī)進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。這種控制的核心作用就是保證實(shí)現(xiàn)加工零件的輪廓軌跡，除點(diǎn)位加工外，各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)之間隨時(shí)隨刻都必須保持嚴(yán)格的比例關(guān)系。這類數(shù)字信息是由CNC系統(tǒng)（專用計(jì)算機(jī)）進(jìn)行處理的，即“數(shù)字控制”。另一類是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，以CNC系統(tǒng)內(nèi)部和機(jī)床上各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)量信號的狀態(tài)為條件，并按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序，對諸如主軸的開停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系系統(tǒng)的運(yùn)行控制。這一類控制信息主要是開關(guān)量信號的順序控制，一般由PLC來完成。

2 精密切割數(shù)控機(jī)床的功能分析

精密切割數(shù)控機(jī)床是通過數(shù)控系統(tǒng)以數(shù)字方式控制刀具的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對工件的切削，在編寫數(shù)控車削加工程序時(shí)，并不考慮刀具。在加工前，用戶必須將刀具的X軸補(bǔ)償量、Z軸補(bǔ)償量、刀尖圓弧半徑、刀尖形式共四種補(bǔ)償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序，進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算。這四種參數(shù)中，刀尖形式按數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定予以確認(rèn)，刀尖圓弧半徑可由R規(guī)測量，而刀具的X,Z軸補(bǔ)償量的測量則相對困難一些，使用自動(dòng)對刀儀能很好地解決這個(gè)問題，為此，數(shù)控機(jī)床及加工中心大多配置了各種不同類型的對刀裝置，如機(jī)外對刀儀、機(jī)內(nèi)光學(xué)對刀儀、接觸式自動(dòng)對刀裝置等。由于車削中心對一般的數(shù)控車床刀具夾持標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，因此采用機(jī)外對刀儀的對刀精度相對較低，而且專用機(jī)外對刀儀成本較高，操作復(fù)雜，需要專門的操作空間，所以實(shí)用性較差。而采用機(jī)內(nèi)接觸式自動(dòng)對刀裝置無疑是一種簡便、快捷的對刀方法，它能方便地自動(dòng)測量刀具的固定刀補(bǔ)值，大大減少對刀時(shí)間，提高機(jī)床的加工效率。所以本文旨在設(shè)計(jì)一種機(jī)內(nèi)接觸式的數(shù)控車床，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車削前的精密對刀，提高生產(chǎn)率，降低加工成本。需要解決的問題主要有以下方面:自動(dòng)對刀儀需有高精度的電子測頭（傳感器），能夠準(zhǔn)確在觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)，有較快的反映時(shí)間;對刀儀的測頭與刀尖剛性接觸，需加緩沖裝置，對測頭表面保護(hù)，壓力需控制在1～10MPa左右，這樣才不會對傳感器的測頭造成損壞，形成凹坑;系統(tǒng)能利用機(jī)床本身的位置測量裝置進(jìn)行測量，通過對不同刀尖觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)（X,Z）的記錄，可以方便地得到一組坐標(biāo)值，分析計(jì)算后便可確定各刀刀補(bǔ)值;安裝和固定對刀儀的裝置（聯(lián)接臂）應(yīng)達(dá)到相應(yīng)精度要求，滿足平行度與垂直度要求，且要有較好的剛度和易操作性。

3 精密切割數(shù)控機(jī)床總體設(shè)計(jì)

對精密切割的功能，主要需保證刀具切割精度，因此要求對數(shù)據(jù)機(jī)床的主要部件一一傳感器的精度得到保證，傳感器的作用是感知和檢測某一形態(tài)的信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)的信息，將被測量（刀尖位置這個(gè)物理量）按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（電流、電壓）表示的物理量。 精密切割的數(shù)控機(jī)床傳感器由以下幾部分組成：


圖 一：數(shù)控機(jī)床傳感器組成
在本文中，傳感器的選用應(yīng)有相當(dāng)?shù)木龋瓿梢韵鹿δ?1）、實(shí)現(xiàn)對X軸和Z軸兩個(gè)方向的傳感，對刀儀要得到X軸和Z軸的坐標(biāo)值，必須使不同刀具在相同的點(diǎn)觸發(fā)傳感器，進(jìn)而運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能再結(jié)合編程實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)坐標(biāo)值的獲取。實(shí)際上傳感器要完成的功能是一個(gè)開關(guān)量，不同的刀具在相同點(diǎn)觸發(fā)即可。2）、由于刀具偏角的不同，傳感器不能做成X軸向和Z軸向相互垂直的兩對傳感器，這樣對Z向坐標(biāo)的時(shí)候，得到的刀尖點(diǎn)可能不是真實(shí)的刀尖點(diǎn)坐標(biāo)。

本文采用的是機(jī)械式開關(guān)傳感器，用機(jī)械觸發(fā)的方式得到一個(gè)開關(guān)量的輸出，當(dāng)?shù)都馀c傳感器觸發(fā)并行進(jìn)到預(yù)設(shè)位置時(shí)，電路接通得到觸發(fā)信號。機(jī)械式傳感器相對來說精度是差一些，但只要設(shè)計(jì)合理，也能將誤差控制在合理的范圍內(nèi)。另一方面，可自行設(shè)計(jì)以兼顧刀具刀偏角的不同和傳感器的大小及聯(lián)接方式。此種傳感器簡單適用，成本較低，具有很大的市場推廣價(jià)值。

4 PLC與數(shù)控系統(tǒng)編程

NUM1020/1040數(shù)控系統(tǒng)是NUM于1995年開發(fā)出的全新數(shù)控系統(tǒng)，是緊湊且功能完善的32位數(shù)控系統(tǒng)，并且和NUM1060系列系統(tǒng)完全兼容。它特別適合于1～6軸的數(shù)控機(jī)床，其硬件特點(diǎn)如下：采用CISC（ 超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的GSP主板;主板上連接可插接（分離的）小模板，由于考慮到數(shù)控系統(tǒng)和系統(tǒng)外部的聯(lián)系，NUM把和外界聯(lián)系的功能模塊制造成可插接小模塊，便于用戶將來的維護(hù)。具體分為軸模塊、顯示模塊和通訊模塊;NUM1020/1040采用+24VDC為其電源輸入，由于數(shù)控系統(tǒng)是弱電電路，采用+24VDC為電源輸入，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素的影響。用戶可以把+24VDC穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，大大提高了整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性;PLC功能的內(nèi)部集成，PLC功能的內(nèi)部集成化，提高了PLC和CNC的內(nèi)部通訊能力，增強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床的邏輯控制;PLC的32輸入和24輸出模塊，NUM的32輸入和24輸出模塊可以和外圍的電路相連接，而這種模塊通過NUM提供的電纜和NUM數(shù)控系統(tǒng)連接，提高了整個(gè)機(jī)床的可靠性。（如果有問題，只能損壞這種模塊，不會對數(shù)控系統(tǒng)造成損壞）;光纖技術(shù)的通訊，PLC輸入輸出點(diǎn)的擴(kuò)展，通過光纖進(jìn)行連接，簡化了線路的連接;軸轉(zhuǎn)接模塊，機(jī)床的編碼器和到伺服的線路可以直接聯(lián)到此模塊上，并通過它和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進(jìn)行連接，提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。另外，NU M的軸連接和其它數(shù)控系統(tǒng)不同，NUM的軸模塊連接此軸的所有信息（如編碼器、速度信號、回零開關(guān)）。如果機(jī)床的軸有問題，可以直接把軸模塊上的插頭相對換，就能很快地查出問題所在（系統(tǒng)內(nèi)部或外部）;輕巧實(shí)用的緊湊型操作面板。其上顯示器和計(jì)算機(jī)的CRT有可兼容性，與NC相通的功能鍵共有47個(gè)，有6個(gè)用戶自由定義鍵及串行通訊接口，可以連接PC的鍵盤（直接插拔）。