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2.3 角位置检测原理
镗削结束退刀之前的主轴角位置检测方法很多，由于本专用镗床退刀时允许刀具停止状态的角位置区域范围较大，检测精度及控制要求较低，因此不需要使用具有柔性功能高精度高分辨率的角位置传感器，综合考虑检测要求、检测精度及技术改造的经济性，实用性和可靠性，拟设计采用图3所示的光电传感方式的角位置检测装置。在主轴后端固定安装一光电检测盘，该盘采用高强度透明有机材料，检测盘的 200°范围扇形区域涂黑而成为不透明状态，装配在主轴上时应使刀具切削刃位于160°透明扇形区的中心线角位置处，检测光源和光电继电器组件分别位于该盘两侧的图示位置。按图示位置关系可知，在镗削结束主轴电机制动后，若刀具位于上半周160°角度范围内时，经聚焦后的光束可穿透光电检测盘的透明区域而使光敏继电器激励，该信号触发DT2产生退刀运动，因而可确保退刀时刀具刃口不会和位于下半周的已加工表面发生干涉；否则若刀具位于下半周加工区角范围内，光源光束被涂黑区域遮挡，该非激励状态信号会启动执行角位置调整操作，直至刀具角位置正确后才可获得光电继电器激励信号而产生退刀运动。
图3 光电检测装置原理图
1－光源 2－聚光镜 3－光电检测盘 4－光电继电器 5－主轴 6－刀具 7－胎具 8－工件 9－压板
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§3．技术改造设计
3．1 主轴角位置调整方法及部件改装
由上述分析可知，退刀前在检测到角位置错误状态信号时必须进行角位置调整，如前所述曾经使用过的角位置调整方法均存在一定的不足和缺陷，角位置调整的正确思路应该是以较低的角速度执行角位置调整，调整过程中同步进行角位置检测，一旦检测到刀具进入允许退刀的非加工表面家位置区域的临界边缘时，检测信号立即停止角位置调整运动，并且开始执行工作台向右的退刀运动。一种较经济、实用可靠的结构方案原理如图4所示。
图4
该装置分别使用主轴电机和小功率的调节电机独立完成镗削加工驱动和低速小功率的调节驱动，两种不同的工作内容由传动装置中的电磁离合器实现二者工作状态隔离和切换。
由于调节运动必须使用转速很低的转动，所以在装置中设置了减速比极大的谐波减速器，由谐波减速器将调节电机的高转速减至很低的调节速度输出，使主轴得到大约每分20～30转的低调节转速。镗削加工时，电磁离合器3失电分离，调节电机5停止，主轴电机2运转，其高切削转速经三角皮带轮传输至镗头主轴进行镗削加工，此加工状态不会对电磁离合器右侧的低速调节部分产生任何影响和干涉；在刀具角位置调整时则主轴电机2停止，调节电机5启动运转，电磁离合器3得电结合，则电机5的高转速首先经谐波减速器4减速，产生约20转/分的低调节转速，再经已结合的电磁离合器3和主轴电机2的转子并通过三角皮带轮将调节速转动送至镗头主轴，在主轴调节转动的同时控制系统同步启动检测装置进行角位置检测，一旦刀具转入退刀允许的角范围内，则光电继电器的激励信号停调整电机5，电磁离
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合器4失电分离，同时DT2得电驱动进给油缸活塞右行退刀。由于调节转速很低，在退刀过程中镗杆因惯性所致的转动幅度很小，在整个退刀过程中确定刀具不会进入已加工区域，因而可确保刀具不会和已加工表面发生干涉。在工作台碰块触及起点位置开关SQ1时，DT2失电工作台静止，同时DT4得电夹具松开，一个加工循环完成。本角位置调节机械系统结构具有二个特点：
第一，采用大减速比的谐波减速器，单级齿轮传动比可达50～500，并且具有承载能力大，传动精度高，齿侧间隙小，传动平稳，效率高，体积小，重量轻等显著技术优势，机构中通过谐波减速器可简单且方便地获得约20r/min的很低的调节转速，从而避免因调节转速过高而难以控制使刀具确定的调整至非加工表面角位置区域，而且同轴输出，结构简单，装配调试方便，技术可行且性价比比高。
第二，结构中的电磁离合器可以可靠的结合或分离调节驱动速度单元和加工驱动速度单元，分离时加工速度单元正常输出高速切削转速至主轴箱完成镗削加工，结合时主电机停止且调节电机启动，调节电机的高转速由谐波减速器减至约20r/min，经结合的电磁离合器和主电机的自由状态的转子传输至主轴箱，完成低转速角位置调节。
3．2控制系统改造方案选择
较早时期的该类机床控制系统较多地采用继电器控制装置，由于此类装置体积大，接线复杂，功能固定，体积大，功耗大且故障率高可靠性差，故本机床控制系统设计不予考虑；采用单片机控制系统具有较高的性价比，但控制系统则需进行难度较大的系统软硬件设计和抗干扰设计，须进行工作量较大的硬件组装，开发周期长且技术难度较大，对此类并无较多柔性控制功能要求的小批量的专用机床并非适宜。综合机床加工工艺对系统控制功能的要求等各种因素，对各类控制方式进行对比，设计方案中首选采用可编程控制器（PLC）组成机床控制系统的设计方案。
3.2.1可编程控制器（PLC）技术特点
可编程控制器（PLC）是20世纪60年代问世的建立在计算机控制基础上的一种新型通用控制设备，PLC将计算机控制系统通用性能理想，功能完美，应用灵活等技术优势和继电接触器控制系统直观易学，简单易懂，价位低廉，操作方便等优点完美的结合，具有良好的柔性控制功能、执行速度快、系统功能完善、通用性好、功能强大的优势，大规模集成电路技术的应用，完善的自诊断功能，光耦、滤波、屏
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蔽、稳压等一系列抗干扰技术措施的应用有效的提高了抗干扰性能和系统稳定性，系统使用特有的面向控制问题的自然语言编程容易，尤其是广泛采用与继电器电路极为相似的梯形图语言使程序设计具有继电器电路系统应用设计直观、快捷的特点，PLC的软继电器以及由指令实现的软接线柔性控制功能可以根据用户的控制要求任意灵活组合，在控制系统的硬件装配确定后，用户可以通过修改应用程序来适应工艺过程的变化调整或工作方式在硬件系统可以匹配执行的新的控制内容，PLC产品的系列化和标准化使PLC应用系统的设计、安装、调试、维修具有周期短，无需进行高难度的系统软硬件设计施工的特点，而且PLC系统的功耗低，结构紧凑，坚固，体积小，人机界面友好，平均五故障率为3～5年，系统的插件结构可使平均修复时间约10min左右，可使用技术寿命高于10年，输入输出接口I/O模块可直接与AC220V，DC24V、48V输入输出信号连接，输出驱动功率大，可直接驱动2A以下的负载，有较高的性价比，尤其适合现代机电一体化机械加工设备更新换代的控制系统应用。PLC技术已与工业机器人技术、CAD/CAM技术并列成为现代工业生产自动化的三大支柱。正是由于PLC在自动控制系统中的应用具有许多理想的技术优势，所以众多应用实例已充分证明PLC应用于机床技术改造尤其是应用于以开关量为主的控制系统改造的确是理想的选择方案，事实上PLC在传统机床技术进步控制系统改造中的应用已日趋广泛。其应用的领域日渐扩大，从加工设备的单机自动化到生产线的自动化，FMS应用，PLC均担任着十分重要的技术角色，其技术意义和控制优势在现代化大生产的自动控制和管理领域中势必发挥出更为重要的作用。
3.2.2 可编程控制器（PLC）选型
根据机床改造技术要求及控制规模，本设计采用FX2系列FX2-48MR型的 PLC。该款PLC为整体结构的基本单元，具有24个输入点和24个输出点，采用继电器输出可以分别适应交流负载（如交流接触器电磁线圈，交流阀用电磁铁等）和直
流负载（如光电继电器，显示发光二极管等）。因PLC对系统硬件结构，I／O接口功能，应用程序设计语言，抗干扰措施等一系列技术内容均已作了理想周密的设计和技术处理，在组成PLC应用控制系统时，用户所需进行的工作主要是外部输入设备、输出设备与PLC的接线及编号，根基工作要求的用户控制程序设计以及通过编程器输入用户程序后所进行的相对其他类型控制器而言更为方便快捷的模拟调试和联机调试。
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3.3 输入信号及输出信号的配置 ⑴ 输入信号及输入器件
PLC的输入信号是PLC在每个扫描周期第一阶段所采样的来自现场的实时命令信息和设备状态信息，是PLC在第二阶段进行逻辑运算按控制程序产生输出信号的依据。该机床加工功能所要求的输入信号应包括控制按钮、位置开关、压力继电器、光电继电器、主电路中的热继电器等开关量信号，考虑操作及调试要求还需设置工作方式选择开关，以选择自动加工、进给及退回点动和主轴点动等工作方式，另外还需设有急停按钮以策加工安全。为提高系统可靠性，减小非操作干扰因素的影响，全部采用开关量电器的动合触头作输入信号。该机床输入信号如表1所示。
⑵ 输出信号及输出设备
PLC输出信号是PLC采样现场输入信号后，根据用户程序规定的控制功能进行逻辑运算，经放大于第三阶段刷新至输出端的控制信号，输出信号直接用于改变控制被控对象的工作状态，以完成加工工艺要求规定的工作内容。该机床输出信号所控制的外部设备主要包括交流异步电机、液压系统的阀用电磁铁、电磁离合器、传感
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