基于數控系統的刀具工作角度實時控制系統設計*

洪美琴

(湖南汽車工程職業學院 機電工程系，湖南 株洲 412001)

基于數控系統的刀具工作角度實時控制系統設計*

洪美琴

(湖南汽車工程職業學院 機電工程系，湖南 株洲 412001)

切削加工凸輪時，刀具的工作角度會隨著切削位置的不同而發生變化，這會影響到產品的加工質量及刀具的使用壽命。詳細闡述了利用數控系統控制轉動刀架轉動角度的設計思路及方法，達到了實時控制刀具工作角度，使其恒定不變的目的。

切削凸輪；數控系統；轉動刀架；轉角控制

1 問題的提出

切削凸輪時，刀具沿徑向快速往復移動，但受凸輪的非圓度影響，在切削過程中，其切削半徑隨著輪廓的改變而改變，從而導致切削刀具的工作前、后角產生變化，這會影響產品的加工質量，降低刀具的使用壽命。不論凸輪切削加工使用的是仿形機床還是數控機床，刀具除往復移動外，還應能繞回轉中心擺動，從而補償刀具工作前、后角的變化，使其工作角度恒定不變；因此，切削凸輪時，凸輪隨主軸轉動，刀具在往復移動的同時還要根據切削位置的不同而擺動一定的角度，如圖1所示。從圖1可以看出擺動補償角度值與凸輪當前壓力角相等。

圖1 凸輪切削示意圖

刀具擺動是通過轉動刀架機構來實現的，其擺動大小由控制系統控制。在數控機床上，可利用數控系統的宏程序得到轉動刀架的轉動角度值，靈活地實現不同凸輪輪廓相對應的刀具擺動角度計算。刀架轉動機構采用伺服電動機驅動，其傳動方式采用斜齒輪與蝸輪蝸桿傳動。

2 轉動刀架轉角實時控制系統的組成

根據盤形凸輪機構的運動規律，凸輪輪廓由3個曲線區域組成，即推程區域、回程區域和停歇區域。對應停歇區域，凸輪的向徑是不變的；而在推程區域，凸輪的向徑由小變大；在回程區域，凸輪的向徑由大變小。切削時刀具的工作前、后角變化如圖2所示，當刀具向著旋轉中心移動時，即向徑由大變小時，刀具的工作前角和后角相對靜止幾何角度順時針旋轉了1個角度，當刀具向遠離旋轉中心方向移動時，即凸輪向徑由小變大時，刀具的工作前、后角相對靜止幾何角度逆時針旋轉1個角度；因此，在主軸每轉1圈時，轉動刀架隨著凸輪輪廓的向徑變化對應有3個時段，即正轉時段、反轉時段和停轉時段，且轉動刀架的驅動電動機轉角與主軸轉角要同步。

圖2 切削凸輪刀具工作角度變化示意圖

轉動刀架的轉動角度值，即刀具工作角度變化值與凸輪的輪廓曲線和主軸轉角存在函數關系，該值可通過數控系統的宏程序計算得到，并作為角度指令值輸出。切削時，刀具繞凸輪軸的軸線方向擺動，因此數控程序中角度指令值地址字定義為C。此角度指令值與來自位置檢測裝置的實際位置信號經過位置比較后得到位置偏差信號，而位置偏差信號轉換為速度控制指令至伺服驅動裝置，控制伺服電動機轉動[1]。刀具工作角度控制系統組成如圖3所示。

圖3 刀具工作角度控制系統組成

從圖3可以看出，在數控機床上，如果利用數控系統本身所具有的位置控制模塊功能增加1個伺服軸控制單元，相當于在原有基本軸的基礎上增加1個旋轉軸，就可以方便地實現轉動刀架的擺動角度控制。

3 基于數控系統實現轉動刀架轉角控制的方法

3.1 實現轉角控制的數控系統旋轉軸功能及相關器件選用

選用具有支持旋轉軸功能的數控系統(以FANUC 0i mate-TD系統為例)，開通旋轉軸功能，經串行伺服總線FSSB，用1根光纜與旋轉軸伺服放大器相連。確認基本軸X、Z伺服放大器系列與型號，旋轉軸伺服放大器也選用同一系列(如βi系列)。

伺服電動機選擇βis系列伺服電動機，使用絕對式光電編碼器，編碼器既可用作速度反饋，也可用作位置反饋。另外，還配置了1個接近開關、1根數據光纜、1根伺服電動機動力線、1根伺服電動機編碼器線和剎車電阻組件1套。

3.2 實現轉角控制的伺服電路連接

實現刀具工作角度實時控制，主軸每回轉1周就對應于凸輪輪廓1個曲線區域，轉動刀架應具有正轉、反轉及停轉功能，此外還需設置回零參考點。伺服電路接線圖如圖4所示。

圖4 伺服電路接線圖

3.3 實現轉角控制的旋轉軸功能參數設置

連接好硬件，開起電源，使PARAMETER WRIT=1，按相應步驟設定參數值[2]。

1)啟動旋轉軸功能。設定參數：#9900=4；#1010=4(CNC受控軸數)；#8130=4(總控制軸數)；9943#3=1(控制軸擴張)，設置好后重新起動電源。

2)其他參數(如回參考點和伺服軸名稱等參數)的設定見表1。控制系統不需要手輪功能，其他參數與別的伺服軸相同。

表1 其他參數設定

3)FSSB設定。由于數控機床通過高速串行總線FSSB，用1根光纜將CNC控制器和多個伺服放大器進行連接，因此還應通過設定相關參數來實現對進給軸的控制。建立CNC與伺服的對應關系，需要設定的相關參數有No.1023，No.1905，No.1936、1937，No.14340～14349和No.14376～14391。FSSB參數設定采用自動設定方式，將參數1902#0設為0(FSSB設定方式中，0為自動，1為手動)，1902#1設為0(FSSB自動設定中，0為沒完成，1為完成)。進入FSSB參數設定支援畫面，完成FSSB(AMP)設定和FSSB(軸)設定。設置完成后重新起動CNC。

4 實現轉角控制的旋轉軸PMC功能設計

根據轉動刀架的結構設計，控制系統控制刀架裝置回零，即旋轉軸回零時，刀架上安裝好的刀具要呈水平狀態，因此刀架與轉動刀架結構的主軸安裝位置應與旋轉軸脈沖發生器發Z相脈沖的位置一致；另外，控制系統只針對刀具工作角度進行實時控制，對刀具的軸向移動和縱向移動不產生位移控制，刀具對刀時僅需要回零功能，使刀具對刀時切削刀具處在水平位置。因此，在旋轉軸的PMC功能設計中，可以只考慮回零功能的設置，但考慮到增加旋轉軸功能的調試檢測需要，還需增設手動功能。

啟動旋轉軸PMC功能，分析PLC程序，按SYSTEM→PMC→PMCPRM進入PMC參數界面，設定保持繼電器參數，并對相關的旋轉軸回零功能參數和手動功能參數進行設定。

5 結語

切削凸輪時刀具的工作角度隨刀具切削位置的不同而發生變化，在數控切削凸輪時，可以通過增加伺服放大器和伺服電動機等器件來實現旋轉軸功能，從而利用數控系統實現轉動刀架隨轉動角度指令信號擺動相應角度的控制，達到補償切削時刀具工作角度變化的目的，使其恒定不變。

[1] 王愛玲.機床數控技術[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2] 吳軍，洪慧良.基于FANUC系統的數控銑床增加第四軸的方法 [J].制造技術與機床，2014(1)：173-175.

*湖南省教育廳科研資助項目(12C1267)

責任編輯李思文

DesignofRealControlSystembasedonNCSystemforCuttingToolWorkingAngle

HONG Meiqin

(Mechanic and Electronic Engineering Department, Hunan Automotive Engineering Vocational College, Zhuzhou 412001, China)

Cutting tool working angle changes with the turning position when turning cam, which will affect the machining quality and the service life of the cutting tool. The paper briefly introduced the designing idea and the method to control the rotating angle of turret rotation based on CNC control, so as to realize the real-time control of the tool working angle to keep the constant work angle.

cutting cam, NC system, rotating turret, rotating angle control

TP 220

：A

洪美琴(1966-)，女, 碩士，副教授,主要從事機械制造技術等方面的研究。

2014-07-24