數控系統雙主軸運動功能的設計與開發

摘 要：為適應現代化的復合加工要求，數控系統需具備控制兩個主軸運動的功能。對華中數控8型系統進行第二主軸運動功能的設計與開發，總結了主軸的控制原理、硬件設備配置和機床電氣設計的方法、參數設置和PLC編程思路、機電聯調等內容，最終實現了數控系統對雙主軸的控制。

關鍵詞：數控系統；雙主軸；機床

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.016

在現代制造業背景下，具備車削、銑削、鉆孔的車銑復合數控機床，能夠實現零件的一次裝夾、多工序加工，從而提高生產效率而被廣泛使用。因具備車削和銑削的兩個主軸運動功能，此數控機床對數控系統提出了雙主軸的功能要求，即在同一通道中具備兩個主軸都能和進給軸配合并完成加工運動。華中數控系統是國產的數控系統，其8型系統因系統穩定和開發性較好而被廣泛運用。在現有的華數818B-M數控銑系統原有的伺服主軸基礎上，新增第二模擬主軸，經過升級改造后實現數控系統對車削和銑削雙主軸的控制功能。其設計和開發內容包括主軸的控制原理分析、硬件設備配置、機床電氣設計、參數設置、PLC程序編制和機電系統聯調測試。

1 整體方案設計

1.1 主軸的控制原理

數控系統重要的主運動由主軸部件完成，根據數控系統控制主軸方式不同，分為伺服主軸和模擬主軸。華數的伺服主軸由伺服驅動器（華數HSV-180US）來驅動控制主軸伺服電機實現主運動，伺服主軸配置具備主軸定向、C軸功能等，精度高造價高等特點。模擬主軸則由變頻器通過調頻來實現主軸電機的控制。對無特殊加工要求的數控機床來說，模擬主軸能實現基本的主軸運動功能，有較高的性能價值，因而被廣泛運用。

1.2 開發第二主軸的功能描述

基于以上伺服主軸和模擬主軸的控制原理不同，針對華數8型系統已配置的伺服主軸，設置為第一主軸。在此系統上開發第二主軸功能，同時新增變頻器、電機及IO模塊等硬件設備，運用軟硬件結合的方法實現數控系統對模擬主軸的控制功能。為避免第二模擬主軸和第一伺服主軸功能干涉，故第二主軸的手動啟、停、升擋和減擋功能分別運用818BM面板上的擴展鍵F1、F2、F3、F4實現。

2 第二主軸功能開發

2.1 硬件設備配置

新增的模擬主軸的主要硬件配置包括一臺主軸電機、主軸編碼器、變頻器、HIO-1041板。其中HIO-1041板作為D/A板，接受NC控制輸出模擬電壓來控制變頻器，從而控制成閉環回路。對于主軸電機正反轉的控制則通過HIO的HIO-1021N板輸出的Y組信號來控制主軸正反轉的電氣回路，而對應正反轉的Y信號的接線則與外部繼電器的線圈相連，繼而通過線圈和觸點的關系控制變頻器，實現主軸正反轉。

2.2 機床電氣設計

為保障新增硬件正常工作，需設計機床電氣的主軸電路部分，以實現變頻器等主要硬件的正常配電。主軸電氣部分包括強電工作部分（380V）和弱電控制部分（24V）。變頻器的工作電壓為380V，同時輸送給主軸電機供電。弱電部分由變壓器和直流穩壓電源將380V交流電轉換為24V電，實現變頻器和IO的通信控制。與新增主軸相關的主要電路部分設計，如圖1所示。

2.3 數控系統開發

完成主軸硬件配置后，數控系統須對第二主軸進行功能開發，其內容包括了新增主軸有關參數的設置和新增主軸plc程序的設計。

2.3.1 參數設置

（1）I/O設備分配：由于硬件配置時新增了一塊模擬量輸入/輸出模板即HIO-1041板，在設備接口參數中，數控系統會自動識別兩個I/O設備：第一個即是HIO-1041模擬量板，第二個為原有的總線I/O，設備號分別為9和10。需對這兩個I/O重新分配地址和組數。

（2）通道和軸號設置：原通道中已有一個主軸，現在通道中開啟第二主軸參數，需在此通道中激活新的邏輯軸作為第二主軸，繼而分配新邏輯軸號和設置主軸類型（見表1）。

（3）主軸速度設置：新增的模擬主軸可根據實際工作情況配置新的主軸擋位和速度參數（見表1）。

2.3.2 plc程序設計

PLC程序可實現機床用戶的各種功能，PLC程序也稱為梯形圖。本次PLC程序設計主要是對第二模擬主軸的相關功能進行控制。具體內容為：利用面板按鍵F1和F2實現主軸的手動模式下的啟和停，同時自動模式下能實現主軸正反轉和停止。面板按鍵F3和F4實現增速和減速功能。其編程思路總結為：

（1）確定plc與外圍設備NC和機床的信號類型和地址，包括X

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信號、Y信號、G信號、F信號等。

（2）將第二主軸功能編制成子程序，增新至原有梯圖中。運用常真信號開啟第二主軸的使能G230.7和G232.0。確定第二主軸主軸正轉信號為G2622.4，反轉信號為G2623.4。主軸運動功能可以在手動模式和自動模式下實現，故編程時應考慮這兩種情況均能實現主軸運動功能。其中自動模式下，采用M53、M54和M55指令實現自動模式下的主軸正轉、反轉和停止，故梯圖中需增加這兩個指令的M代碼響應和應答功能塊。

（3）運用SPDA功能塊實現主軸倍率DA轉換。通過F3和F4兩個按鍵實現手動主軸倍率的增速和減速。注意SPDA中的p參數值該對應主軸速度參數，例如p62參數值為010362-010372中對應的10個參數值，映射為第二主軸1擋的速度值。

（4）利用華數LADDER軟件編輯程序，通過在線監測和調試程序，檢測梯圖中各類型信號和功能塊中的參數，是否與已有的第一主軸的梯圖發生干涉。調試無誤后，保存生效。

3 機電聯調

完成硬件配置、電氣連接、參數設置和PLC程序編制后，必須進行機電聯調測試，檢測是否能實現第二主軸的各功能的控制，方法如下：

（1）手動功能檢測：按下面板按鍵F1和F2后，主軸是否能實現啟動和停止；多次點擊按鍵F3或者F4，觀察系統現實主軸轉速S是否實現S值逐次增大或逐次減小。

（2）自動功能測試：在MDI或者自動模式下載入測試加工程序，如“M53 S1=1000”，觀察主軸能夠實現正轉并且轉速S達到1000；同理檢測自動反轉（M54）和自動停止功能（M55）。

（3）兩主軸干涉檢測 ：運用以上的方法，同時檢測第一主軸的正常功能是否受到影響，避免第二主軸的功能開發造成兩主軸的干涉問題。

4 總結

本文整體設計了開發第二主軸的功能開發，闡述了運用機床電氣設計、PMC編程、數控機床聯調等技術，最終實現了NC對雙主軸的控制功能的方法。對傳統的單主軸數控系統進行升級改造，實現了數控系統雙主軸的功能開發，此升級改造方案對目前的復合化的數控機床升級改造有重要意義，其經濟性和普適性對其他類型的數控系統主軸開發具有一定借鑒作用。

參考文獻：

[1]陳吉紅.華中數控系統連接與調試手冊[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.

作者簡介：龔璇（1985-），女，湖北武漢人，講師，碩士研究生，從事數控技術專業教學和研究工作。