基于IMAC400的数控旋压机床手轮功能的实现.pdf

2 0 1 3年 8月 第4 1 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAU 『L I CS Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 6 ． 0 1 6 基于 I MA C 4 0 0的数控旋压机床手轮功能的实现 石 亚平 ，王启行 ，张明天。 1 ． 佛山职业技术学院，广东佛山5 2 8 0 0 0 ； 2 ．华中科技大学制造装备数字化 国家工程研 究中心 ，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 ； 3 ．深圳飞亚达科技有限公司，广东深圳 5 1 8 1 2 8 摘要随着社会对旋压产品精度要求的提高，数控旋压机床对手轮的功能也提出了更高的要求。分析了双旋轮旋压机 床数控系统对手轮功能的特殊要求，在 I M A C 4 0 0所提供的位置跟随功能的基础上，给出了基于 “ P c机 运动控制器”的 开放式数控系统和手轮的硬件系统，提出了手轮的普通调整功能和在线调整功能，分析了两大功能的基本原理，结合 1 MA C 4 0 0内置的P L C技术和 V i s u a l C 6 ． 0技术，设计 了手轮功能控制程序，实现了手轮的普通调整功能和在线调整功 能，提高了产品的精度，并且得到了成功的应用。 关键词数控旋压机床；手轮功能；位置跟随；I MA C 4 0 0运动控制器；开放式数控系统 中图分类号T P 1 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 l 2 0 1 3 1 6 0 5 04 Re a l i z a t i o n o f Ha n dwhe e l Fu nc t i o n f o r CNC S p i n ni ng M a c hi n e Ba s e d o n I M AC4 O O S H I Y a p i n g ， WA N G Q i h a n g ，Z HA N G Mi n g t i a n 1 ． F o s h a n P o l y t e c h n i c ，F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． S t a t e E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e r o f Ma n u f a c t u r i n g E q u i p me n t Di g i t i z a t i o n，Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a； 3 ． S h e n z h e n F i y t a S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y D e v e l o p me n t C o ． ，L t d ． ，S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 2 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e ma n d o f h i g h p r e c i s i o n s p i n n i n g p r o d u c t s ，t h e r e q u i r e me n t s f o r h a n d w h e e l f u n c t i o n b e c o me h i【g h e r ．T h e s p e c i al r e q u i r e me n t s f o r t h e C NC s p i n n i n g ma c h i n e w e r e a n a l y z e d ．T h e o p e n a r c h i t e c t u r e C NC s y s t e m a n d h a n d w h e e l h a r d ware s y s t e m we r e p u t for w a r d b a s e d o n P C a n d mo t i o n c o n t r o l l e r wi t h t h e p o s i t i o n f o l l o w i n g f u n c t i o n p r o v i d e d b y I MAC A ． O 0 ．T h e h a n d w h e e l o r d i n a r y a d j u s t i n g f u n c t i o n a n d o n l i n e a d j u s t i n g f u n c t i o n w e r e c o m e u p ， the p r i n c i p l e o f t h e t w o f u n c t i o n s w e r e ana l y z e d ．C o n t r o l p r o g r a m f o r t h e h a n d w h e e l f u n c t i o n wa s d e s i g n e d w i th P L C a n d Vi s u a l C 6 ．0 ．T h e h a n d wh e e l f u n c t i o n for C NC s p i n n i n g ma c h i n e wa s r e a l i z e d，t h e p r e c i s i o n o f t h e s p i n n i n g p r o d u c t s w a s i n c r e a s e d a n d i t wa s u s e d i n p r a c t i c e s u c c e s s f u l l y ． Ke y wo r d s CNC s p i n n i n g ma c h i n e ；Ha n d w h e e l ；P o s i t i o n f o l l o wi n g； I MAC 4 0 0 mo t i o n - c o n t rol l e r ；O p e n a r c h i t e c t u r e C NC s y s t e m 旋压是一种运用渐进旋转点变形技术的先进无屑 金属压力加工方法 。它借助旋轮等工具作进给动 力 ，将与随芯模沿同一轴线旋转的金属毛坯压向芯模 轮廓 ，使其产生连续的局部塑性变形而成为所需的空 心回转体零件 。随着制造业发展的需要，旋压机床 越来越广泛地运用于自动化和航空航天工业、艺术作 品、乐器、厨房用具等的生产 ，特别是像喷气式发动 机、涡轮机、雷达反射器、卫星头锥体 ，对旋压机 数控系统提出了更高的要求。 无论在何种数控系统中，手轮功能都是必不可少 的，手轮一般是在非加工状态下 ，用来实现刀具微 动、工件对刀、工作台运动等 。但是针对专用的 旋压机床来说，对手轮有着特殊的要求 1 在旋 压加工前 ，调整芯模和旋轮之间的间隙繁琐而耗时， 要求手轮能够实现准确的调整间隙，即手轮能够实现 加工前的普通调整； 2 在旋压加工过程中，芯模 不能被旋轮挤压变形 ，能够随时调整芯模和旋轮之间 的间隙，即手轮能够实现加工过程中的在线调整。 针对以上两个 问题，作者提 出了对应的解决方 案 ，采用以 “ P C运动控制器”为核心的开放式数 控系统，运用 P L C技术和 V i s u a l C 6 ． 0技术，实 现了手轮的普通调整和在线调整两个功能。 1 手轮功能硬件平台 针对旋压机床运动控制的特点 ，采用以 “ P C 运动控制器”为核心的开放式数控系统，搭建了图 1 所示的双旋轮旋压机床控制系统硬件平台。硬件平台 主要由P C机、I MA C 4 0 0运动控制器、放大器 、液压 伺服、伺服油缸、滑块、光栅尺、手轮等组成。 收稿日期2 0 1 2 0 71 4 作者简介石亚平 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生 ，研究方向为数控技术。Em a i l p a u l a s h i 1 6 3 ． c o rn。 第 l 6期 石亚平 等基于 I MA C 4 0 0的数控旋压机床手轮功能的实现 5 1 堇 I 巫 叠 霾 圆 一 堇 _ 噩 圈 l 一 墨 呈 _ 磊 轴反馈 0 轴反馈 受 一 z1 轴反 馈 *轴反馈 图 1 控制系统硬件连接示意 图 多轴运动控制器选用泰道 中国公 司的 I MA C 4 0 0 2 手轮功能的基本原理 四轴运动控制器 ，它是基于 T u r b o P MA C 2专 门为广 文中主要介绍手轮的两个功能 第一个功能是旋 大 O E M 自动化设备制造商定制开发的能够广泛适用 压机床在非加工状态下，运用手轮调整各个进给轴的 于各种工况的高性能、高可靠性的运动控制解决方 位置，以便于旋轮和芯模之间间隙的调整，为加工做 案 。I M A C 4 0 0的 O P T D选项提供了一个 8 k1 6 准备，称这种功能为普通调整；第二个功能是旋压机 位的双端 口R A M，双端 口 R A M通过网线连接 P c机 床在加工状态下 ，发现偏差时运用手轮及时对各轴的 进行高速数据交换。它通过 A M P接口和伺服系统连 位置进行在线调整 ，称这种功能为在线调整。 接 ，同时控制 4个轴的伺服计算和伺服运动。光栅尺 不论是普通调整还是在线调整 ，手轮的功能都是 的反 馈 信 号 通 过 E N C接 口反 馈 给运 动 控 制 器。 基 于 I MA C 4 0 0提供的位置跟随功能实现 的。它是 I MA C 4 0 0具有内置 P L C，可以在后台同时运行 6 4个 I M A C 4 0 0运动控制器在保持与外界事件同步的诸功 异步 P L C，提供 了 1 6路本地数字 I ／ 0 、可扩展多至 能 位置跟随，时基控制、位置捕捉和位置 比较 2 0 4 8 个远 程数 字 I ／ 0。同时 ，I MA C 4 0 0还 提 供 了 中最基本的一种。 J H W 接E I ，主要负责手轮信号、主轴反馈信号 的输 对于普通调整方式 ，首先将手轮脉冲编码器产生 入和主轴信号的输出。 的脉冲信号发送到 I M A C 4 0 0中，I M A C 4 0 0对脉冲信 J H W是两通道手轮接 l Y l ，每一个手轮通道为用 号进行相应的处理，然后通过 A MP输出 口输 出到相 户提供了一组脉冲和方向差分输出信号以及编码器反 应液压伺服，驱动相应的轴运动指定的距离。手轮调 馈输人。手轮的硬件连接示意图 如图2所示，手轮 整后的位置可以由以下公式计算得到 的脉冲信号通过 H A和 H B两路差分信号输入到 J H W PP 。 k c 一 c 。 u 1 接口，手轮的进给轴选择、进给倍率等选择开关作为 其中P为调整后的位置； I O输入信号通过本地 I ／ 0输入到 I MA C 4 0 0 。P 。 为调整前的位置 ； I l 1 3 9 1 2 1 广 A 5V 8 I r 一 25 2 0 GNDI HWA 2 l HWB2 I A 5 V 手 ／ 1 9 由 O O1 0 o 0 o oI2 1 5 1 1 6 1 0 ／ l 0 O o1 0 0 0 0 l 1 0 0 4 9 0 0 0 0 O 9 H WA 2 ． IH WB 2 ．H B HA Ⅲ 枷胁 吣 图2 手轮硬件连接示意图 轮 轴 选 择 轴 c 。 为初始手轮码盘读数； 羹 嚣 蓑 羹 c 为 当 前 手 轮 码 盘 读 数 ； 轮 轴 选 择 z 舶 k为进给倍率 ； 磊 倍 率 l 为进给脉冲当量。 轮 倍率x 1 x l 。 o o 由公式 1 可知，通过计算手轮码盘的当前读 数和初始读数的差就可以得到调整后的位置，因为调 整前的位置、进给倍率和脉冲当量在调整之前都已经 确定。 对于在线调整方式，也是首先将手轮脉冲编码器 产生的脉冲信号发送到 I M A C A O 0中，I MA C 4 0 0对脉 冲信号进行相应 的处理，此时需要调整的轴正在运 5 2 机床与液压 第 4 1卷 动，手轮的脉冲信号会叠加到当前运行的程序当中， 改变对应轴的实际位置。在线调整的原理图如图3所 示，其中 I x x 0 5表示 主控位置，I x x 0 6表示位置跟随 方式，I x x 0 7表示主控范围因子，I x x 0 8表示位置环因 子 ，I x x 0 9表示速度环因子。 图 3 在线调整功能原理 图 在这种情况下，如果调整量过大或者调整速度过 大，机床会产生很大的冲击 ，为了避免此类现象的发 生，必须在 P L C程序 中，对脉冲的大小设置上限。 如果发出脉冲高于上限，I MA C 4 0 0自动将此视为上 限输出。 3 手轮功能的实现 要完成手轮的功能，在完成硬件的连接之后，需 要对于手轮功能相关的一些 I M A C A0 0的 I 变量进行 设置，主要有 I x x 0 5 ，I x x 0 6 ，I x x 0 7和 I x x 0 8 ，其 中 X X 为对应轴编号 。 1 I x x 0 5为主动轴位置和方式，确定主动轴位 置信息的寄存器地址。一般情况下 ，主动轴位置寄存 器的值是位置反馈信号在编码器转换表中经过处理的 一 些数据 ，每个 I x x 0 5 都有对应的地址 ，比如 1 1 0 5 3 5 0 1 ，I 2 0 5 3 5 0 2，I 3 0 5 3 5 0 3，1 4 0 5 3 5 O 4。 在手轮跟 随 情况 下，1～4号 轴都 为 从 动轴，故 I x x 0 5 I 6 0 5 ，I 6 0 5为手轮轴的寄存器地址。 2 I x x 0 6控制 X X 轴的位置跟随方式。它不仅能 够确定位置跟随的使能和禁止，还能够确定位置跟随 是处于普通模式还是叠加模式。普通模式是指一个轴 完全跟随另一个轴的运动状态，没有 自己的独立运 动；叠加模式是某个轴不仅有 自己的运动 ，而且还可 以在 自己的运动 的基础 上叠加其 他 的脉 冲当量。 I x x 0 6 有两位，第一位决定跟随功能的使能与禁止， 第二位确定跟随功能的模式。当 I x x 0 60时表示跟 随功能禁止 ，普通模式；当 I x x 0 61时表示跟随功 能使能 ，普通模式 ；当 I x x 0 62时表示跟随功能禁 止，叠加模式；当 I x x 0 63时表示跟 随功能使能， 叠加模式。当手轮进行普通调整的时候 ，处于普通模 式 ，所以I x x 0 6 1 ，其他轴都设置为 0 ；当手轮进行 在线调整的时候 ，处于叠加模式，所以 I x x 0 6 3 ，其 余轴都设置为 2 。 3 I x x 0 7和 I x x 0 8用来确定主动轴和从动轴 的 跟随比例关系，其值决定了跟随轴的倍率。其计算公 式 为 A C P x x 0 7 ／ I x x 0 8 X A MP 2 其中A C P 为从动轴位置； A MP 为主动轴位置。 这个关系式可以由图4表示出来。 图4 机械齿轮 一 般情况下 ，只能改变 I x x 0 7的值来改变比例关 系 ，I x x 0 8的值 固定为 9 6 。当手轮进行调整的时候， 通过调整手轮上面的倍率可以来改变 I x x 0 7的值 ，在 该系统中，I x x 0 7的值与调整精度 调整精度表示手 轮转动一格对应轴运动的距离如表 1所示。 表 1 比例数据 运 用 I MA C A0 0 内 置 的 P L C 编 程 改 变 I x x 0 5 ， I x x 0 6 ，I x x 0 7和 I x x 0 8的值即可实现手轮的两个调整 功能 。 4应用 实例 该系统采用主从式双系统结构，上位机 P C和下 位机 I MA C A0 0都有 自己独立 的 C P U、存储器 ，分别 构成一套独立的计算机系统。利用这一优势，上位机 采用 V i s u a l C6 ． 0编写控制界面，实现 良好的人 机交互、数据处理、实时显示、加工程序生成等功 能，软件控制界面如图 5所示；下位机 I M A C 4 0 0完 成运动控制、插补运算、I O管理以及 P L C的运行等 实时控制功能。 采用以上方法开发的旋压机控制系统已经成功应 用于某航天单位的双旋轮旋压机床的数控化改造中。 在实际运行中，当处于非加工状态下，旋轮能够准确 跟随手轮的动作做相应的运动，移动平稳连续，并且 在调整旋轮和芯模之间的间隙的时候，能够准确定