数控车床可编程台尾的结构与控制

王伟平

摘要：文章针对数控车床的可编程台尾结构进行专门研究，提出多种模型，并对控制模型进行逐一分析，研究了相关控制逻辑，分析了各种可编程台尾结构的优点与不足。

关键词：数控车床；可编程台尾；台尾结构；控制模型；金属加工设备 文献标识码：A

中图分类号：TG659 文章编号：1009-2374（2015）13-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.006

1 可编程台尾的特点

数控车床是现代工业中应用非常广泛的一类金属加工设备，数控车床主要用于加工回转件，比较常见的是加工盘类零件和轴类零件。盘类零件的加工一般仅采用卡盘卡紧方式就能满足要求，而对于轴类零件特别是对于长轴类零件的加工，需要使用卡盘和台尾结构，采取一卡一顶的装卡方式，所以对于数控车床的加工而言，良好、可靠、高效的台尾结构非常重要。可靠高效的台尾结构，不仅能保证数控车床所加工零件的加工质量，而且可以大大提高加工效率，对于提升数控车床的自动化程度也非常重要。

传统的台尾结构，主要是手动搬动台尾体沿数控车床的Z轴导轨移动或沿台尾专用导轨移动，台尾的移动由人力搬动，台尾体被搬到指定位置后，扳动手柄将台尾底板锁到台尾移动的导轨上。用人力旋转台尾套筒的进退的手柄，将台尾体内的套筒旋出顶紧工件，再通过锁紧手柄将台尾套筒锁紧。可见传统的数控车床的台尾结构操作起来费时费力，随着数控车床产品日新月异的发展，特别是智能化数控车床产品的涌现，为提高劳动生产率，数控车床行业特别需要一种新兴的数控车床台尾结构的出现，来代替原有传统的数控车床的台尾

结构。

数控车床的可编程台尾，不同于传统台尾结构，是一种具备可以参与数控车床加工编程的新型台尾结构。在对可编程台尾的控制过程中，数控车床的数控系统可以用M代码、B代码或其他可以参与数控车床加工编程的代码指令，自动控制台尾或台尾套筒的进退，并对台尾或台尾套筒的位置进行检测，控制台尾或台尾套筒前进或后退到数控车床加工需要的位置，来完成对数控车床加工零件的顶紧。这样可以提高数控车床加工效率，特别是对于数控车床与自动化生产线（桁架机器手自动化生产线或关节机器手自动化生产线）组线时，可以高效、精准地提高数控车床的装卡效率，从而大大提高数控车床的加工节拍，极大地方便数控车床的加工，实现完全自动化加工，有效地提高数控车床的智能化水平和自动化水平。

2 多种可编程台尾的结构与控制研究

2.1 采用检测开关的简易可编程台尾结构

这里介绍一种简单的可编程台尾结构——采用检测开关的简易可编程台尾结构。

结构上：在普通台尾结构的台尾体后端增加一个随台尾套筒进退的长杆，再增加两个与台尾体固定的，用来检测台尾套筒运动位置的无触点光电检测开关，即构成了这种可编程台尾结构。

控制上：台尾套筒前后移动由数控系统输出控制代码M32（台尾套筒前进）；M33（台尾套筒后退）来实现，台尾套筒行程控制用无触点开关检测到的位置信号反馈给数控系统。前进开关到位信号，用来确保台尾套筒有效的顶紧工件，后退限位开关作为台尾套筒退回到位的确认信号。根据被加工工件长度来调整这两个限位开关位置。如果台尾套筒伸出不到位，台尾套筒前进开关发不出信号，机床主轴就不能启动。在程序编写和自动加工过程中，台尾套筒前进、台尾套筒后退检测开关分别被采集到数控系统的PLC控制程序中，作为台尾套筒前进指令代码M32和台尾套筒前进指令代码M33的应答信号。此种结构较为简单。

2.2 采用直线光栅尺的可编程台尾结构

在第一种可编程台尾研究的基础上，这里介绍另一种结构。

结构上：此种台尾结构的特点与前面提到的第一种可编程台尾结构相似，只是使用光栅尺结构代替了检测台尾套筒前进、后退的位置检测开关。

控制上：数控系统检测台尾所带光栅尺的反馈位置数据，数控系统将可编程台尾体等同于虚拟轴进行控制，通过G0等G代码控制台尾的运行位置，结合光栅尺的反馈位置，通过数据比较计算，来实现对台尾的控制。此种可编程台尾结构的优点是控制位置相对较为灵活，难点在于对光栅尺的模拟量数据的读入与识别，因某些数控系统不接收反馈的模拟量信号，或者需要通过特殊的DA转换装置来完成对数据的转换。

2.3 通过液压插销借用Z轴拖动台尾的可编程台尾结构

这里再介绍一种间接利用数控车床伺服轴移动来实现可编程台尾控制的结构——通过液压插销借用Z轴拖动台尾的可编程台尾结构。

结构上：此种可编程台尾结构，采用液压缸带动液压插销结构、Z轴撞停到位开关结构，使台尾体与Z轴床鞍之间有效连接，数控系统控制液压插销的动作，利用Z轴带动床鞍移动到相应位置。

控制上：此种可编程台尾的动作顺序逻辑为：（1）Z轴运行到台尾附近；（2）Z轴到位撞停开关触发；（3）数控系统通过PLC控制液压插销伸出；（4）检测液压插销到位；（5）数控系统控制Z轴拖动台尾运行到指定位置；（6）松开液压插销；（7）检查插销退出到位；（8）移走Z轴。此种可编程台尾结构比较简捷，控制难点在于PLC逻辑控制上。

2.4 采用伺服电机控制的可编程台尾结构

有了前面的研究，这里介绍一种较为复杂的应用于数控车床的可编程台尾结构——采用伺服电机控制的可编程台尾结构。

结构上：采用交流伺服电机作为可编程台尾的控制轴（W轴），来实现对可编程台尾的控制。由W轴交流伺服电机（带抱闸）通过滚珠丝杠驱动，沿Z轴方向移动。W轴伺服电机（后端装有绝对编码器）通过联轴器直接连接到相应的滚珠丝杠上，进而驱动台尾的运动与完成位置控制。

控制上：W轴交流伺服电机所起的作用是驱动台尾体快移定位到数控系统指令要求的位置，而顶紧工件主要靠可编程台尾体上的液压缸，同时台尾体到位后，台尾体的锁紧靠台尾体底面压板。在数控系统的控制中，可以对控制台尾的W轴伺服电机，采用PLC轴或IO LINK轴的形式进行控制，通过编写PLC控制程序，使用B代码加G0等位置移动指令控制可编程台尾的高速精准定位。采用类似控制伺服轴一样的方式控制此种类型的可编程台尾。因伺服电机的移动速度快、定位精准、启停平稳，所以此种可编程台尾结构在高速、高精加工应用中有很大的优势，此种可编程台尾结构也是很多高档数控车床比较青睐的台尾结构。

3 多种可编程台尾结构的比较分析

上文对四种应用于数控车床的可编程台尾结构进行了研究，各种方案的优点和不足如下：

方案1（采用检测开关的简易可编程台尾结构）：优点是结构简单、成本低、易实现；缺点是不移动开关位置的情况下，不能任意位置灵活编程，精度与台尾运行速度一般。方案2（采用直线光栅尺的可编程台尾结构）：优点是结构不复杂、较易实现；缺点是成本较高、某些数控系统不能直接接收模拟量信号，光栅尺信号处理比较繁琐。方案3（通过液压插销借用Z轴拖动台尾的可编程台尾结构）：优点是结构不复杂、成本适中，较易实现；缺点是定位精度一般，插销故障率较高，需提高相关部件的刚性。方案4（采用伺服电机控制的可编程台尾结构）：优点是运行速度快、定位精准、锁紧力大；缺点是成本高，设计调试较为复杂。

4 结语

可编程台尾的结构与控制研究对于数控车床的加工效率的提升、机床可靠性研究和数控车床产品的智能化研究很有意义，相信可靠高效的可编程台尾结构的应用必将提升数控车床的整体自动化水平。

参考文献

[1] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 宋绪丁.机械制造技术基础[M].西安：西北工业大学出版社，2011.

基金项目：国家重大专项：（2013ZX04011-011）资助。

（责任编辑：周 琼）