数控系统双主轴运动功能的设计与开发

    摘 要：为适应现代化的复合加工要求，数控系统需具备控制两个主轴运动的功能。对华中数控8型系统进行第二主轴运动功能的设计与开发，总结了主轴的控制原理、硬件设备配置和机床电气设计的方法、参数设置和PLC编程思路、机电联调等内容，最终实现了数控系统对双主轴的控制。

    关键词：数控系统；双主轴；机床

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

    在现代制造业背景下，具备车削、铣削、钻孔的车铣复合数控机床，能够实现零件的一次装夹、多工序加工，从而提高生产效率而被广泛使用。因具备车削和铣削的两个主轴运动功能，此数控机床对数控系统提出了双主轴的功能要求，即在同一通道中具备两个主轴都能和进给轴配合并完成加工运动。华中数控系统是国产的数控系统，其8型系统因系统稳定和开发性较好而被广泛运用。在现有的华数818B-M数控铣系统原有的伺服主轴基础上，新增第二模拟主轴，经过升级改造后实现数控系统对车削和铣削双主轴的控制功能。其设计和开发内容包括主轴的控制原理分析、硬件设备配置、机床电气设计、参数设置、PLC程序编制和机电系统联调测试。

    1 整体方案设计

    1.1 主轴的控制原理

    数控系统重要的主运动由主轴部件完成，根据数控系统控制主轴方式不同，分为伺服主轴和模拟主轴。华数的伺服主轴由伺服驱动器（华数HSV-180US）来驱动控制主轴伺服电机实现主运动，伺服主轴配置具备主轴定向、C轴功能等，精度高造价高等特点。模拟主轴则由变频器通过调频来实现主轴电机的控制。对无特殊加工要求的数控机床来说，模拟主轴能实现基本的主轴运动功能，有较高的性能价值，因而被广泛运用。

    1.2 开发第二主轴的功能描述

    基于以上伺服主轴和模拟主轴的控制原理不同，针对华数8型系统已配置的伺服主轴，设置为第一主轴。在此系统上开发第二主轴功能，同时新增变频器、电机及IO模块等硬件设备，运用软硬件结合的方法实现数控系统对模拟主轴的控制功能。为避免第二模拟主轴和第一伺服主轴功能干涉，故第二主轴的手动启、停、升挡和减挡功能分别运用818BM面板上的扩展键F1、F2、F3、F4实现。

    2 第二主轴功能开发

    2.1 硬件设备配置

    新增的模拟主轴的主要硬件配置包括一台主轴电机、主轴编码器、变频器、HIO-1041板。其中HIO-1041板作为D/A板，接受NC控制输出模拟电压来控制变频器，从而控制成闭环回路。对于主轴电机正反转的控制则通过HIO的HIO-1021N板输出的Y组信号来控制主轴正反转的电气回路，而对应正反转的Y信号的接线则与外部继电器的线圈相连，继而通过线圈和触点的关系控制变频器，实现主轴正反转。

    2.2 机床电气设计

    为保障新增硬件正常工作，需设计机床电气的主轴电路部分，以实现变频器等主要硬件的正常配电。主轴电气部分包括强电工作部分（380V）和弱电控制部分（24V）。变频器的工作电压为380V，同时输送给主轴电机供电。弱电部分由变压器和直流稳压电源将380V交流电转换为24V电，实现变频器和IO的通信控制。与新增主轴相关的主要电路部分设计，如图1所示。

    2.3 数控系统开发

    完成主轴硬件配置后，数控系统须对第二主轴进行功能开发，其内容包括了新增主轴有关参数的设置和新增主轴plc程序的设计。

    2.3.1 参数设置

    （1）I/O设备分配：由于硬件配置时新增了一块模拟量输入/输出模板即HIO-1041板，在设备接口参数中，数控系统会自动识别两个I/O设备：第一个即是HIO-1041模拟量板，第二个为原有的总线I/O，设备号分别为9和10。需对这两个I/O重新分配地址和组数。

    （2）通道和轴号设置：原通道中已有一个主轴，现在通道中开启第二主轴参数，需在此通道中激活新的逻辑轴作为第二主轴，继而分配新逻辑轴号和设置主轴类型（见表1）。

    （3）主轴速度设置：新增的模拟主轴可根据实际工作情况配置新的主轴挡位和速度参数（见表1）。

    2.3.2 plc程序设计

    PLC程序可实现机床用户的各种功能，PLC程序也称为梯形图。本次PLC程序设计主要是对第二模拟主轴的相关功能进行控制。具体内容为：利用面板按键F1和F2实现主轴的手动模式下的启和停，同时自动模式下能实现主轴正反转和停止。面板按键F3和F4实现增速和减速功能。其编程思路总结为：

    （1）确定plc与外围设备NC和机床的信号类型和地址，包括X

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    信号、Y信号、G信号、F信号等。

    （2）将第二主轴功能编制成子程序，增新至原有梯图中。运用常真信号开启第二主轴的使能G230.7和G232.0。确定第二主轴主轴正转信号为G2622.4，反转信号为G2623.4。主轴运动功能可以在手动模式和自动模式下实现，故编程时应考虑这两种情况均能实现主轴运动功能。其中自动模式下，采用M53、M54和M55指令实现自动模式下的主轴正转、反转和停止，故梯图中需增加这两个指令的M代码响应和应答功能块。

    （3）运用SPDA功能块实现主轴倍率DA转换。通过F3和F4两个按键实现手动主轴倍率的增速和减速。注意SPDA中的p参数值该对应主轴速度参数，例如p62参数值为010362-010372中对应的10个参数值，映射为第二主轴1挡的速度值。

    （4）利用华数LADDER软件编辑程序，通过在线监测和调试程序，检测梯图中各类型信号和功能块中的参数，是否与已有的第一主轴的梯图发生干涉。调试无误后，保存生效。

    3 机电联调

    完成硬件配置、电气连接、参数设置和PLC程序编制后，必须进行机电联调测试，检测是否能实现第二主轴的各功能的控制，方法如下：

    （1）手动功能检测：按下面板按键F1和F2后，主轴是否能实现启动和停止；多次点击按键F3或者F4，观察系统现实主轴转速S是否实现S值逐次增大或逐次减小。

    （2）自动功能测试：在MDI或者自动模式下载入测试加工程序，如“M53 S1=1000”，观察主轴能够实现正转并且转速S达到1000；同理检测自动反转（M54）和自动停止功能（M55）。

    （3）兩主轴干涉检测 ：运用以上的方法，同时检测第一主轴的正常功能是否受到影响，避免第二主轴的功能开发造成两主轴的干涉问题。

    4 总结

    本文整体设计了开发第二主轴的功能开发，阐述了运用机床电气设计、PMC编程、数控机床联调等技术，最终实现了NC对双主轴的控制功能的方法。对传统的单主轴数控系统进行升级改造，实现了数控系统双主轴的功能开发，此升级改造方案对目前的复合化的数控机床升级改造有重要意义，其经济性和普适性对其他类型的数控系统主轴开发具有一定借鉴作用。

    参考文献：

    [1]陈吉红.华中数控系统连接与调试手册[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

    作者简介：龚璇（1985-），女，湖北武汉人，讲师，硕士研究生，从事数控技术专业教学和研究工作。