三轴随动在线切割数控铣床及其三轴随动控制方法

摘要

一种三轴随动在线切割数控铣床及其三轴随动控制方法，铣床具有小车驱动轴、进给推进轴和锯片旋转轴的三轴结构，小车驱动轴带动小车在传送带上运动，所述的进给推进轴设置在小车上，该进给推进轴带动锯片旋转轴运动。当测长编码器累计长度快到设定管长时，运动控制单元发出信号，小车驱动轴快速启动，并在管长到达设定管长时，令小车的速度保持与焊管的速度同步，进给推进轴快速启动按照控制单元计算出的曲线，进行焊管切割。本发明解决了现有在线切割数控铣床的缺点，并满足精密焊管的生产要求。

说明书

技术领域

本发明应用于冶金行业焊管定尺在线切割数控铣床，属于伺服控制的技术领域，尤其涉及一种三轴随动在线切割数控铣床及其三轴随动控制方法。

背景技术

数控机床已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一，在我国由制造业大国向制造业强国的发展过程中，数控机床起着举足轻重的作用。随着生产技术的发展，用户对产品的性能、精度要求越来越高，对生产的效率要求也越来越高、这就要求数控机床向着高速化、高精度化方向发展。现有的焊管在线切断数控铣床，只有两根轴，一根移动小车驱动轴，一根锯片旋转轴，没有进给推进轴，推进直接由缸带动，而且移动小车驱动轴是简单的变频器加同步板的方式，锯片旋转轴一般都用直起的方式，逻辑及程序控制由PLC（可编程逻辑控制器）来实现，导致现有的在线切割铣床，具有以下缺点： 

1、生产效率低、生产噪音大；

2、精度不高，在线定长误差大；

3、焊管切口有毛刺、且切口宜变形。

发明内容

本发明提供的一种三轴随动在线切割数控铣床及其三轴随动控制方法，采用了三轴随动控制方案，解决了现有在线切割数控铣床的缺点，并满足精密焊管的生产要求。

为了达到上述目的，本发明提供一种三轴随动在线切割数控铣床，其具有三轴结构，该三轴结构包含小车驱动轴、进给推进轴和锯片旋转轴；

所述的小车驱动轴带动小车在传送带上运动，所述的进给推进轴设置在小车上，该进给推进轴带动锯片旋转轴运动。

一种用于三轴随动在线切割数控铣床的三轴随动控制方法，该控制方法基于三轴随动控制装置来实现，该三轴随动控制方法包含以下步骤：

步骤1、三轴随动控制装置启动，进行自检，若自检通过，则进行步骤2，若自检不通过，则进行步骤7；

步骤2、利用输入输出模块设置系统参数，令三轴随动控制装置进入准备状态，运动控制单元控制伺服驱动单元启动锯片旋转轴，并判断锯片旋转轴是否已经按照运动控制单元设定的线速度旋转，若是，进行步骤3，若否，则继续等待，直到锯片旋转轴已经按照运动控制单元设定的线速度旋转；

步骤3、铣床进入自动状态，判断主机生产线是否启动，若是，则进行步骤4；

步骤4、测长编码器启动，测量焊管的长度和线速度，发送给运动控制单元，若测长编码器工作正常，运动控制单元收到了测长编码器的数据，则进行步骤5，若否，则进行步骤8；

步骤5、当测长编码器累计长度快达到设定管长时，运动控制单元发出信号，小车驱动轴快速启动，带动小车运动，并使得当小车的运动速度和焊管的运动速度保持同步时，刚好测长编码器的累计管长为所设定的管长；

判断是否完成了上述操作，若是，进行步骤6，若否，进行步骤9；

步骤6、运动控制单元发出信号，进给推进轴快速启动，按照运动控制单元设定的推进曲线，对焊管进行切割，切割完成后，进给推进轴快速反转，并返回原点；

判断是否完成了上述操作，若是，进行步骤11，若否，进行步骤10；

步骤7、进行故障检测，并排除故障，进行步骤2；

步骤8、生产线停止，检查原因，排除故障，进行步骤3；

步骤9、判断是否存在故障，若是，则进行步骤8，若否，则进行步骤5；

步骤10、判断是否存在故障，若是，则进行步骤8，若否，则进行步骤6；

步骤11、小车驱动轴分离同步，快速停止并反转、高速返回至小车原点位置，等待下一个切割周期的到来。

所述的步骤2中，设置的系统参数有焊管的长度、材质、焊管外径、壁厚、锯片类型、锯片直径、锯片厚度、锯片齿数、最大齿负荷。

所述的步骤2中，

锯片旋转轴的线速度计算公式为 :                                                ；

其中，V为线速度，=3.14，D为锯片直径，为锯片旋转轴电机转速。

所述的步骤3中，

进给推进轴的推进速度的计算公式为： ；

其中，为推进速度，为锯片电机速度，Z为锯片的齿数，C为每齿进刀量，为进给推进轴的位置系数。

根据推进轴的位置不同，该位置系数是不一样的，位置系数的取值范围为0.0~1。

本发明运行稳定，可靠性高，响应快，精度高，切口无毛刺、无变形、噪音小，方便维护。

附图说明

图1和图2是本发明提供的三轴随动在线切割数控铣床的三轴结构示意图；

图3是三轴随动控制装置的电路结构示意图；

图4是本发明提供的三轴随动控制方法的流程图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

图1是三轴随动在线切割数控铣床的三轴结构主视图，图2是三轴随动在线切割数控铣床的三轴结构侧视图，如图1和图2所示，三轴随动在线切割数控铣床具有三轴结构，该三轴结构包含小车驱动轴2、进给推进轴3和锯片旋转轴1。所述的小车驱动轴2带动小车在传送带上运动，所述的进给推进轴3设置在小车上，该进给推进轴3带动锯片旋转轴1运动。

图1和图2中，标识了小车的原点位置4和进给推进轴的原点位置5。

增加了进给推进轴3，在铣床在线切割焊管6时，可任意调节锯片切入焊管的速度，避免了以前没有推进轴，由缸直接带动锯片切割而造成的缺点。

本发明提供一种用于三轴随动在线切割数控铣床的三轴随动控制方法，该控制方法基于三轴随动控制装置来实现，如图3所示，该三轴随动控制装置包含运动控制单元101，与运动控制电源101电路连接的整流回馈单元102，与整流回馈单元102电路连接的若干伺服驱动单元103，与伺服驱动单元103电路连接的测长编码器104，以及电路连接所述运动控制单元101的输入输出模块105和远程I/O模块106，所述的伺服驱动单元103分别电路连接所述的小车驱动轴2、进给推进轴3和锯片旋转轴1。

所述的运动控制单元101采用西门子的SINAMICS-SIMOTION D425，该运动控制单元101集逻辑控制、工艺控制、运动控制于一体，既有通常的逻辑和运算控制功能，又能实现定位、角同步、电子齿轮及电子凸轮等运动控制功能，并能对机械间隙进行有效补偿，达到最好的控制精度，控制和协调整个驱动系统中的所有驱动模块，完成各轴的速度环、电流环、甚至位置环的控制。运动控制单元101与整流回馈单元102和伺服驱动单元103之间通过西门子的通信接口Drive-CLiQ实现实时同步通信。

所述的整流回馈单元102将三相交流电整流成直流电，供给各伺服驱动单元103，该整流回馈单元102还能将制动能量直接反馈到电网。

所述的伺服驱动单元103将直流电逆变成三相交流电，驱动伺服轴电机来控制各个轴的运动，伺服轴电机可选用1FT6系列电机，1FT6电机是结构及为紧凑的永磁同步电机，该电机满足了在动态性能、调速范围以及速度和位置、精度等方面的最高要求，内置有绝对值编码器，并通过Drive-CLIQ连接至伺服驱动单元103，专用于高性能机床。

所述的输入输出模块105选用SIEMENS MP277系列，作为用户所有工艺参数的输入，显示数据及所有故障代码的输出所用。

所述的远程I/O模块106便于铣床机身的阀等执行元器件的控制及传感器等传感元器件的信号检测。采用SIEMENS的ET200S系列，与控制单元的通讯采用Profibus-DP。

所述的测长编码器104，用于检测焊管的生产速度。

如图4所示，所述的用于三轴随动在线切割数控铣床的三轴随动控制方法包含以下步骤：

步骤1、三轴随动控制装置启动，进行自检，若自检通过，则进行步骤2，若自检不通过，则进行步骤7；

步骤2、利用输入输出模块设置系统参数，令三轴随动控制装置进入准备状态，运动控制单元控制伺服驱动单元启动锯片旋转轴，并判断锯片旋转轴是否已经按照运动控制单元设定的线速度旋转，若是，进行步骤3，若否，则继续等待，直到锯片旋转轴已经按照运动控制单元设定的线速度旋转；

设置的系统参数有焊管的长度、材质、焊管外径、壁厚、锯片类型、锯片直径、锯片厚度、锯片齿数、最大齿负荷等；

锯片旋转轴的线速度计算公式为 : 

其中，V为线速度(M/min)，=3.14，D为锯片直径（mm），为锯片旋转轴电机转速(RPM)，影响电机转速的因素有：焊管的直径、壁厚等； 

步骤3、铣床进入自动状态，判断主机生产线是否启动，若是，则进行步骤4；

该铣床具有三种工作状态：手动状态-模拟状态-自动状态；

手动状态：铣床设备上电初始化后，系统会自动进入手动状态，该状态下，铣床的各轴只能手动操作；

模拟状态：该状态为了模拟该铣床各个功能是否正常，用于测试用，当主机线没有生产，测速编码器没有工作时，可进入模拟状态，让铣床模拟启动，观看铣床运行情况；

自动状态：主机线要连续开机生产时，该铣床必须进入自动状态，自动状态时，铣床能自动完成各轴所有的动作，满足自动切割的需求；

主机生产线是负责焊管的成型、焊接的生产设备；

步骤4、测长编码器启动，测量焊管的长度和线速度，发送给运动控制单元，若测长编码器工作正常，运动控制单元收到了测长编码器的数据，则进行步骤5，若否，则进行步骤8；

步骤5、当测长编码器累计长度快达到设定管长时，运动控制单元发出信号，小车驱动轴快速启动，带动小车运动，并使得当小车的运动速度和焊管的运动速度保持同步时，刚好测长编码器的累计管长为所设定的管长；

判断是否完成了上述操作，若是，进行步骤6，若否，进行步骤9；

小车驱动轴所带的滑动小车（小车上带有旋转锯片），需去跟踪同步焊管的生产线速度，只有小车和焊管的速度保持同步了，锯片才能进行进给切割，否则锯片就会被崩裂，或者出现斜切口，这也是在线切割的难点。运动控制单元控制小车驱动轴何时启动、加速度多少、何时与焊管达到同步；

步骤6、运动控制单元发出信号，进给推进轴快速启动，按照运动控制单元设定的推进曲线，对焊管进行切割，切割完成后，进给推进轴快速反转，并返回原点；

判断是否完成了上述操作，若是，进行步骤11，若否，进行步骤10；

进给推进轴的推进速度的计算公式为： ；

其中，为推进速度（mm/min），为锯片电机速度（RPM/min），Z为锯片的齿数，C为每齿进刀量（mm/齿），为进给推进轴的位置系数（0.0~1）。

根据推进轴的位置不同，该位置系数是不一样的，也就是说推进轴的推进速度是根据推进轴的不同位置不同，而不断发生变化的。

进给推进轴的电机速度是先由上述公式算出推进速度，然后根据机械丝杠的螺距倒算出推进轴的电机速度。

影响进给推进轴的推进曲线的因素有：焊管的直径、壁厚、锯齿的进给量、齿数、推进轴的位置等，推进曲线直接影响到焊管切口的平整度，有无毛刺等产品性能；

步骤7、进行故障检测，并排除故障，进行步骤2；

步骤8、生产线停止，检查原因，排除故障，进行步骤3；

步骤9、判断是否存在故障，若是，则进行步骤8，若否，则进行步骤5；

步骤10、判断是否存在故障，若是，则进行步骤8，若否，则进行步骤6；

步骤11、小车驱动轴分离同步，快速停止并反转、高速返回至小车原点位置，等待下一个切割周期的到来。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。