普通带锯床的数控改造

1　普通带锯床的改造
　　去年，我公司为浙江雁荡山机床实业公司改造了一台数控锯床。该锯床由液压传动，其结构原理见图1。

　　锯削下料长度通过调节标尺14与返回到位开关的相对位置来实现，下料数量由计数器实现，各动作的完成由到位开关检测。锯削速度由调压阀调整供油压力进行控制。各动作的逻辑关系由继电器完成，驱动由动力油缸完成，控制由电磁阀完成。
　　对于普通带锯床而言，由于压力的变化，液压油温度的变化以及电磁阀和继电器的滞后都影响锯削送料的精度，因此下料精度差，批量下料的一致性也不好。此外，在改变普通带锯床下料长度时，由于需调整送料长度标尺，操作也比较繁琐。当下料长度大于送料行程时就更麻烦。由于这些缺陷，厂方提出了数控改造的要求。
　　考虑到人机界面的优化及功能的可扩充性，我们用计算机作为硬件平台，软件平台用MS—DOS，输入输出用标准的ISA I/O卡，位置测量由光栅尺完成。控制原理如图2、3所示。
　　由于锯削的材料、锯条性能的差异，最好对锯条的速度和锯削速度能实时自动调整。比如，当锯条弯曲达到系统的一定阀域值时，系统就降低速度自适应或关闭进给。这需要在原有普通带锯床的基础作较大的改动，如：改变原有的液压单元，增加锯条弯曲监控器等。

　　按照厂方的要求，我们主要解决可操作性、送料精度问题。在原普通锯床上装配光栅尺进行位置测量（图2），原液压系统不变。控制系统软件安全功能设计，包括料仓、储料管理检索、锯件分类管理、锯条弯曲监控、材料压紧、锯条速度、锯削进给速度的自适应控制等。为了能同时满足不改变原液压系统的要求，系统增加了基于普通电磁阀的位置控制模块。
2　系统控制
　　伺服系统的闭环位置控制是比较容易的。普通电磁阀只有“通”、“断”两种状态，并且具有电磁机械滞后。液压油的温度及压力变化影响到送料滑台的定位，因此采用传统的控制理论进行处理比较困难。为使到达目标位置前关闭送料油缸液压进给，使送料油缸停止时刚好在目标位置，是问题的关键。
2.1　系统送料动作过程
　　系统伺服位置控制模块采用采样插补和预见控制相结合的位置控制（具体控制略）。而普通电磁阀油缸的位置控制模块采用学习、预见控制，通过系统经验值和当前状态，决定关闭送料油缸的位置，使送料油缸停止时刚好达到目标位置。由于电磁机械滞后及运动惯性，通过“通”“断”控制送料滑台移动0.1mm几乎不可能的。为了保证最小送料长度及送料精度，后钳使送料滑台后退到到L_K位置（图4，S₁—S₂），然后向前移动到预测位置L_T关闭送料电磁阀（图4，S₂—S₃）。当送料油缸运动停止时后钳夹紧（图4，S₄）。后钳夹紧到位时前钳松开，前钳松开到位时开始送料（图4，S₅）。送料到位后前钳夹紧（图4，S₆）。前钳夹紧到位时后钳松开（图4，S₇）。后钳松到位后开始后退，为下一次送料作准备（图4，S₁）。虽然系统定位多移动了距离2X（L_K-L），但整个过程与锯削过程并列进行。在送料长度小于最大一次送料长度时不影响效率。

2.2　普通电磁阀控制油缸基于学习、预习的位置控制
　　普通电磁阀的控制只有“通”“断”两种状态。影响定位的因素很多，如：液压油的阻尼变化、压力变化、负载惯性等。为了提高精度，送料到位由机械缓冲限位，误差可以忽略，误差主要来自空程定位。为了预测合理的电磁阀关闭位置L_T（图4，S₃），我们可以测定减速距离DL（DL=L_T-L　L为油缸停止位置）与当前速度V_T的关系。通过调整工作压力（最小到最大）改变V_T，可得到一组数据（DLi，VTi）。
　　该数据在调试时测试，系统自动完成数据表的存储。定位（图4，S₂→S₃→S₄）到L时，存在误差e1主要是由调试状态与当前状态的差别造成的。把每次夹紧定位的误差EL引入预测位置L_T，使定位偏差最小。为了便于计算取L_K-L=C（C为常量取10mm）。系统实时控制采用计算机的时钟中断，采样周期为2ms。送料油缸从L_K到L的位置控制原理如图5所示。
　　利用这种控制方法，光栅尺精度为0.02mm时实测定位误差≤±0.05，已完全能满足锯削送料的精度要求。为了消除特殊因素，当误差｜e1｜＞0.05时，系统使送料油缸返回到L_K并重新定位，从而保证了系统定位的可靠性。
2.3　内置PLC实现带锯床动作的逻辑关系
　　计算机通过定时采集光隔离I/O卡的输入状态，由软件完成逻辑关系运算并进行相应的输出（内置PLC）。
2.4　其余控制模块的功能
　　系统的模拟输入输出模块，使锯削过程的监控具有广泛的意义，如：锯床只要增加锯条变形的反馈，即可对锯削速度进行自适应调整。增加伺服阀，即可对锯削过程的速度和位置控制进行优化。系统的管理功能使材料和工件的管理更方便。系统的中文界面和实时的图形状态显示，使操作更友好更直观。由于系统采用标准PC，使锯削的网络化管理更便捷。

3　带锯床数控化的几点建议
　　虽然不改变普通带锯床的机械电液系统即可实现数控改造，但基于计算机数控的优势并没有完全发挥。设计适合数控的带锯床光机，增加材料压紧、锯带弯曲传感器，用伺服阀控制油缸的速度和位置，将使CNC锯床的性能更优化。如：当锯条变钝，或材料出现不均匀时，通过锯带弯曲传感器，即可反馈到计算机中并进行相应的处理。
　　锯床是较简单的机床，用户不会要求自己的锯床具有加工中心的功能。计算机控制的锯床不只为用户提高了锯削的效率和质量，更重要的是计算机的网络功能，会使锯削与CIMS的其余环节联系更紧密，管理更方便。#p#分页标题#e#