基于PMAC2的全闭环控制螺纹磨床数控系统

李红侠 叶利伟 蒙海军

【摘 要】 介绍了一种新型螺纹磨床数控系统，对硬件、软件的设计进行了分析。采用触摸屏进行人机对话。采用PMAC2运动控制器，实现了逻辑和运动控制。机床Z轴、X轴采用全闭环控制，提高了控制精度。砂轮倾斜一定螺旋升角，对砂轮形状投影在X、Z坐标平面内的图形进行数学建模，现实了数控化轨迹修整。

【关键词】 螺纹磨床 全闭环控制 PMAC2运动控制器 触摸屏 伺服系统 轨迹修整

引言

螺纹磨床是一种高精度的加工机床，其砂轮修整多采用金刚笔或成型滚轮修整。其中金刚笔修整依靠操作技能保证修整质量。而成型滚轮修整，滚轮与砂轮接触面大，修整表面光洁度不好，磨削不同的螺纹需更换不同的成型滚轮。国内也有进口美国德拉克DRAKE全智能机器人操作螺纹磨床，而国内大部分中小企业其维修技术力量薄弱，维护不便。因此，需要由中国制造智能化螺纹磨床替代进口。

随着智能化的发展，越来越要求减少人工操作因素对产品质量的影响。而智能机床的基础是机床精度及稳定性高，人为因素少，才能保证合格率。根据市场需求，研制了一种全闭环控制螺纹磨床的数控系统，提高了机床精度，砂轮数控化轨迹修整改善了修整精度，减少了人工操作的影响。

一、建立数控系统坐标系

1、机床结构简介

在床身上有纵向和横向导轨。纵向移动平台Z轴、横向进给平台X轴。在X、Z轴上安装有光栅尺，滚珠丝杠传动。在Z轴上安装有工件旋转机构C轴和手动扳螺旋升角的滚轮机构。在X轴上安装有手动扳螺旋升角的砂轮主轴机构。工件及砂轮人工装卸。砂轮人工平衡。

2、机床坐标系：#1->180C #2->2000X #3->2000Z

二、数控系统的硬件系统

硬件简介：如图1硬件系统原理框图，组成如下：

（1）运动控制器：其核心是美国Delta Tau公司的Turbo PMAC2系列的Clipper集成控制卡。它是一台完整的、实时的、多任务的计算机。是针对工业自动化中控制要求而研发的控制系统。

（2）触摸屏：选韩国M2I系列触摸屏。具有多组编号历史数据存储功能，加工

某一种产品时只需选择对应编号，则该编号内的数据自动调出。

（3）光栅尺：全闭环控制的核心部件是传感器，其性能将决定控制系统的最终控

制精度。機床控制精度要求为0.005mm，选择发格SY系列光栅尺的分辨率为：

0.0005mm。

（4）伺服系统：选用安川7系列伺服电机，电机配备高分辨率24bit编码器。

三、Turbo Pmac2 运动控制器软件系统

Turbo Pmac2 运动控制器系统软件构成如下：

1、内置PLC功能：支持多程序运行，通过PLC程序实时监测设备运行状态，并检测和执行人机触摸屏及操作面板发来的指令信号，其主要功能包括安全运行监控、数据实时计算、逻辑控制、操作面板控制、运动程序的控制。其中实时计算完成砂轮修整的自动补偿：计算式X3=X2-P 其中P表示累计磨损量 X2表示修整前加工及修整起点X轴坐标，X3表示修整后加工及修整起点X轴坐标。而 P=P+S 该式表示每次砂轮修整后，磨损量累计计算一次。其中：P表示累计磨损量，S表示每次修整量。

2、固定功能运动程序：完成预先定义的运动，包括砂轮修整运动程序、螺纹对刀运动程序、螺纹加工运动程序、M代码子程序、G代码子程序。

3、变量定义：主要完成PMAC环境和功能的设置，包括I变量定义、M变量定义、坐标系及轴定义、丝杠螺距补偿表定义。

四、轨迹修整-数学建模

螺旋升角下对砂轮需要的形状在X、Z轴坐标平面内的投影图形进行数学建模。

1、三角螺纹砂轮修形的数学模型：

三角螺纹砂轮的形状为局部三角形。近似数学模型为：三角形高h不变，底边d（砂轮厚度）变为原来的d/cosθ的近似三角形。θ表示砂轮的螺旋升角。h=（d/2）/tgα其中α表示砂轮的三角形砂轮头半角。tgβ=（（d/2）/cosθ）/h= tgα/ cosθ ，β表示三角形砂轮头半角投影在X、Z轴平面内的角度。

2、双圆弧螺纹砂轮修形的数学模型：

双圆弧螺纹砂轮形状为局部双圆弧。数学模型为：短轴（X轴方向）为圆弧半径R，长轴（Z轴方向）为圆弧半径R/cosA的双椭圆曲线，如图5。A表示砂轮的螺旋升角。按增量方式编程椭圆方程为：

将Z轴按0.002mm一步细分。每一步0.002进行直线查补（I变量Isx92=0每一步之间运动混合在一起），再进行多次while循环： Z（ΔZk） X（ΔXk），其中ΔZk=0.002 ΔXk按照椭圆方程求解如下所示：（其中k表示椭圆轨迹当前循环步数，k值范围为：1…（r/COSA）/0.002）如图椭圆在坐标内的第一象限图为砂轮右侧曲线：由椭圆方程解每一个细分后的点坐标如下：Z0=0 X0=R

Z1=0.002 X1=SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA） Z2=0.004 X2=SQRT（R*R-Z2*Z2*COSA* COSA）

…求得运动增量为：ΔZ1=0.002 ΔX1=（ SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA）-R）

ΔZ2=0.002ΔX2=（SQRT（R*R-Z2*Z2*COSA*COSA）- SQRT（R*R-Z1*Z1*COSA* COSA）

…ΔZk=0.002ΔXk=（SQRT（R*R-Zk*Zk*COSA*COSA）- SQRT（R*R-Zk-1*Zk-1*COSA* COSA）

=（SQRT（R*R-（0.002*k）*（0.002*k）*COSA*COSA）-SQRT（R*R-（0.002*（k-1））*（0.002*（k-1））*COSA*COSA）

结论：该数控系统全闭环控制，控制精度高稳定性好。采用激光干涉仪进行机床精度检测结果为：X轴行程100mm定位精度0.0026mm。Z轴行程300mm定位精度0.0029mm。人机对话图文并茂直观方便。砂轮修整数控化轨迹修整，大大的减少了人工对修整的影响。但人工上下料，砂轮人工平衡。仍需提高智能化水平。滚珠丝杠传动方式，丝杠易磨损。以后向直线电机发展，响应快，没有反向误差。

【参考文献】

[1] 张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社，2000：315-336.

[2] DELTA TAU Data System，inc.Turbo Pmac/Pmac2软件参考手册[Z]，2011

[3] DELTA TAU Data System，inc.Turbo Pmac2-Eth-Lite硬件参考手册[Z]，2012