基于PLC的高精密數(shù)控外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)的研究

翁盛檳　黃藝鴻　聶曉根

【摘 要】針對(duì)外圓磨床實(shí)現(xiàn)高效、高精密磨削加工的要求，采用PLC及人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)數(shù)控外圓磨床的系統(tǒng)控制。通過設(shè)計(jì)磨削工藝流程、人機(jī)界面輸入磨削零件各加工工藝參數(shù)和設(shè)置電流磨削控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)砂輪自動(dòng)切入、自適應(yīng)磨削加工和自動(dòng)切出等功能，達(dá)到高效高精密磨削要求。主要闡述系統(tǒng)軟、硬件構(gòu)成及控制功能的實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】外圓磨床；自適應(yīng)磨削；PLC數(shù)控；人機(jī)界面

中圖分類號(hào)： TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）08-0059-004

Research of high-precision CNC System for Cylindrical Grinder Based on PLC

WENG Sheng-bin1 HUANG Yi-hong2 NIE Xiao-gen2

（College of Mechanical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

【Abstract】According to the high efficiency and high processing requirements of cylindrical grinder， This paper presents the way of using PLC and HMI to realize the grinding machine's control. By using the technologies of NC parameter setting and current grinding，automatic cutting、grinding and self-adaption function specially designed for grinder are developed .The implementation ways of hardware structure、software and some functions are introduced.

【Key words】Cylindrical Grinder；Self-adaption grinding；PLC；HMI

外圓磨床是軸類、盤類零部件獲得高精度和良好表面粗糙度的關(guān)鍵數(shù)控裝備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、鋼鐵、汽車、工程機(jī)械等行業(yè)，市場(chǎng)需求量大。近年來，我國精密機(jī)床發(fā)展取得較大進(jìn)步，機(jī)床的精度質(zhì)量也已達(dá)到相當(dāng)?shù)乃剑楷F(xiàn)出一批具有較高技術(shù)水平的中高檔磨床。但是在高精、高效、智能化設(shè)備與國外相比仍然有較大的差距。為適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高精、高效、智能化的需求，以減輕磨削加工對(duì)操作者的技能要求，提高磨削效率和磨削精度。為此，針對(duì)高精密軸類、盤類零部件（特別是細(xì)長軸）的磨削加工工藝，提出實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切入、自動(dòng)磨削加工，自適應(yīng)磨削控制功能（主要適應(yīng)工件的輪廓和砂輪的脫落），設(shè)計(jì)開發(fā)了基于寶元數(shù)控“PLC+人機(jī)界面”的高精密外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度、操作自動(dòng)化高的要求。

1 數(shù)控外圓磨床結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)控外圓磨床由床身、砂輪架、工作臺(tái)、頭架、尾架等部分組成，床身采用整體式結(jié)構(gòu)，總體布局如圖1所示。機(jī)床床身采用高性能礦物復(fù)合材料，采用預(yù)先精加工導(dǎo)軌、軸承座等連接件，將連接件和管道通道在模型中定好位，以預(yù)埋的形式與樹脂混泥土澆鑄在一起，以提高機(jī)床的連接剛度，機(jī)床具有較好的抗振性及熱穩(wěn)定性。X進(jìn)給軸采用“靜壓+負(fù)壓”導(dǎo)軌，利用負(fù)壓吸浮式平面在工作表面上不同區(qū)域同時(shí)存在正壓和負(fù)壓的特點(diǎn)，使運(yùn)動(dòng)滑塊和承載導(dǎo)軌之間形成厚度穩(wěn)定的微米級(jí)油膜，提高油膜厚度的穩(wěn)定性、剛性，從而提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和精度保持性。在滾珠絲杠機(jī)構(gòu)+聯(lián)軸節(jié)+伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式下，選擇C1級(jí)高精度滾珠絲杠和高分辨率光柵尺，保證高精度的伺服控制。

1.Z軸電機(jī) 2.主軸電機(jī) 3.修整器 4.頭架 5.工件 6.砂輪 7.砂輪架 8.X軸電機(jī) 9.砂輪電機(jī)10.床身 11.尾座 12.B軸電機(jī) 13.下工作臺(tái) 14.上工作臺(tái) 15.定位心軸 16.絲桿17.絲桿螺母

根據(jù)應(yīng)用要求，制定了表1所示的機(jī)床主要技術(shù)指標(biāo)。

要求磨削軸類零件的外圓圓度誤差小于1μm、圓柱度小于10μm/1000mm、表面粗糙度達(dá)Ra0.1。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的功能分析

控制系統(tǒng)要完成X、Z軸的伺服進(jìn)給和砂輪主軸、頭架主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還要實(shí)現(xiàn)液壓、氣路、冷卻等輔助系統(tǒng)的控制，也即一般數(shù)控機(jī)床普遍具備的通用功能。除此以外，還必須具備磨削加工的特有功能。包括有：

（1）電流法自動(dòng)對(duì)刀；

（2）恒電流磨削（自適應(yīng)磨削控制功能）；

（3）多段變速磨削；

（4）斷電回退和緊急回退；

（5）砂輪自動(dòng)修整及補(bǔ)償；

（6）手輪DRF（動(dòng)態(tài)干預(yù)）功能；

（7）加減速進(jìn)退刀；

（8）中途換向。

2.2 控制系統(tǒng)的技術(shù)方案

該高精密數(shù)控外圓磨床，配置2個(gè)伺服軸： 縱向Z 軸、橫向X 軸。加工時(shí)砂輪固定在砂輪架上，以設(shè)定的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)；頭架主軸C軸帶動(dòng)回轉(zhuǎn)型零件旋轉(zhuǎn)；Z軸帶動(dòng)工作臺(tái)和工件作Z向往復(fù)移動(dòng)；X軸帶動(dòng)砂輪架向零件軸向方向做橫向的磨削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在該系統(tǒng)中，這些運(yùn)動(dòng)均由PLC來實(shí)現(xiàn)。

（1）控制系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)設(shè)備的工藝要求，本控制系統(tǒng)的PLC選用了寶元數(shù)控L600PLC——其內(nèi)部集成了14路輸入接口和10路輸出接口。2路模擬輸入點(diǎn)和l路模擬輸出點(diǎn)，2個(gè)高速脈沖輸出，2個(gè)RS485通訊/編程口，其高速計(jì)數(shù)器可以采集100 kHz的脈沖，輸出脈沖也可以達(dá)到100 kHz。

（2）控制系統(tǒng)的工作原理

圖2為系統(tǒng)的工作原理圖，PLC與人機(jī)界面構(gòu)成的控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器模塊、進(jìn)給伺服控制模塊、主軸伺服控制模塊、輸入、輸出及通信模塊等組成。當(dāng)要執(zhí)行機(jī)床操作時(shí)，首先啟動(dòng)主軸箱油泵，待操作者通過人機(jī)界面輸入指令后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)出與人機(jī)界面輸入指令地址相對(duì)應(yīng)的PLC程序，PLC通過執(zhí)行梯形圖程序來控制其觸點(diǎn)，從而達(dá)到對(duì)接觸器、伺服電動(dòng)機(jī)、電磁繼電器以及機(jī)床各個(gè)部件控制的目的。同時(shí)，PLC還會(huì)把光柵尺傳感器、伺服電動(dòng)機(jī)編碼器、限位信號(hào)等一系列反映數(shù)控外圓磨床工作狀態(tài)的信息送回人機(jī)界面，用戶可以通過在人機(jī)界面上調(diào)整參數(shù)值來實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)床的工作狀態(tài)。而當(dāng)機(jī)床一旦發(fā)生故障，PLC還會(huì)將傳感器與編碼器等反饋的信息進(jìn)行比較來判斷其故障原因，并顯示一些重要的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自我診斷。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制面板的界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用寶元L600PLC配套的編程工具LNC_QUI_Designer進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、PLC程序的編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔的處理。編程軟件主要用梯形圖編寫，程序編譯正確后通過FileZilla軟件傳輸?shù)絇LC。

根據(jù)高精密外圓磨床控制系統(tǒng)的功能要求和數(shù)控外圓磨削的工藝（粗磨-半精磨-精磨-拋光），設(shè)計(jì)開發(fā)高精密外圓磨床控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件，為提高磨削效率和磨削精度，充分降低操作者的勞動(dòng)程度，減輕磨削加工對(duì)操作者的技能要求，數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有磨削參數(shù)設(shè)定、變速磨削、加減速進(jìn)退刀、恒電流控制、中途換向、自動(dòng)對(duì)刀等功能。數(shù)控系統(tǒng)主界面見圖3所示。

3.2 主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)

（1）恒電流功能

在外圓磨削加工時(shí)，許多零件既有外形尺寸要求，也有表面質(zhì)量要求。在數(shù)控外圓磨床上，回轉(zhuǎn)型零件的外形可以用數(shù)控編程控制砂輪的磨削路徑來實(shí)現(xiàn)，但要達(dá)到表面質(zhì)量要求則較為復(fù)雜。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的外圓磨床為高精密外圓磨床，對(duì)表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，不僅要求無振痕、無磨削條紋、較高的粗糙度，還要求整個(gè)回轉(zhuǎn)型零件表面質(zhì)量一致性好——即整個(gè)回轉(zhuǎn)型零件的粗糙度必須在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。為達(dá)到較好的表面質(zhì)量，根據(jù)早期的磨削工藝，在本次高精密外圓磨床數(shù)控控制系統(tǒng)中加入恒電流磨削功能。恒電流功能界面如圖4所示：（注：電流法自動(dòng)對(duì)刀功能與恒電流功能的實(shí)現(xiàn)方法一致，都是通過硬件獲取砂輪電機(jī)的電流值來判斷控制砂輪架的進(jìn)給和循環(huán)動(dòng)作，不作另外贅述。）

恒電流磨削是指在磨削過程中，通過砂輪電機(jī)電流值的大小控制進(jìn)給軸的進(jìn)刀量。當(dāng)砂輪電機(jī)實(shí)時(shí)電流高于電流設(shè)定值一定范圍時(shí)，X軸（進(jìn)給軸）正向旋轉(zhuǎn)，向正方向移動(dòng)，砂輪架后退，減少進(jìn)刀量，從而減小砂輪的磨削力。由于磨削力的減小，實(shí)時(shí)電流將減小。當(dāng)實(shí)時(shí)電流低于電流設(shè)定值一定范圍時(shí)，X軸（進(jìn)給軸）反向旋轉(zhuǎn)，向負(fù)方向移動(dòng)，砂輪架前進(jìn)，增大進(jìn)刀量，從而加大砂輪的磨削力。如此循環(huán)，用砂輪電機(jī)電流的大小來控制砂輪的進(jìn)退，使得在整個(gè)回轉(zhuǎn)型零件的磨削過程中，電流恒定在某設(shè)定值的一定范圍內(nèi)，使得砂輪的磨削力基本控制在一定范圍內(nèi)，從而把零件表面的粗糙度控制在很小范圍內(nèi)波動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)方法：通過ADAM-6017模擬量輸入模塊從電源變頻器中讀取砂輪電機(jī)的電流值，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到PLC的內(nèi)部存儲(chǔ)器，從而獲得基準(zhǔn)電流值。根據(jù)基準(zhǔn)電流值與磨削過程中的電流值進(jìn)行比較，來控制X軸的進(jìn)刀量。其中X軸進(jìn)退刀的上下限電流值和進(jìn)退刀的間隔時(shí)間可根據(jù)精度要求進(jìn)行設(shè)置。主程序通過M50和M51控制恒電流功能的開啟和關(guān)閉。PLC程序控制如圖6、7所示：

（2）變速磨削功能

高速磨削過程的顫振一直被認(rèn)為是影響磨削表面質(zhì)量的主要因素之一。普遍認(rèn)為顫振是由再生效應(yīng)引起的一種自激振動(dòng)。根據(jù)再生效應(yīng)機(jī)理的加工方法，可通過變速磨削一定程度抑制高速顫振。變速磨削控制界面如圖8所示。

實(shí)現(xiàn)方法：變速磨削的方法主要有兩種，一是通過對(duì)零件長度的劃分，以長度為單位對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置；二是通過對(duì)時(shí)間長度的劃分，以時(shí)間為單位對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置。本次設(shè)計(jì)采用的是對(duì)時(shí)間長度的劃分方法。通過PLC中的時(shí)間繼電器，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行重新定義。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，只進(jìn)行兩次砂輪主軸轉(zhuǎn)速的變速，主程序通過M60和M61來分別控制變速磨削的啟動(dòng)和停止。圖9和圖10表示的是粗磨變速加工主程序：

4 結(jié)語

研制高精密數(shù)控外圓磨床采用高性能復(fù)合材料床身和“靜壓+負(fù)壓”導(dǎo)軌提高機(jī)床剛性和穩(wěn)定性，論文著重對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)研發(fā)工作進(jìn)行論述，系統(tǒng)采用“PLC+人機(jī)界面”數(shù)控構(gòu)架實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控外圓磨床的自動(dòng)化控制。根據(jù)高精密數(shù)控外圓磨削加工工藝，自行設(shè)計(jì)開發(fā)了控制系統(tǒng)人機(jī)界面和控制軟件，系統(tǒng)軟、硬件均具有良好的開放性，研發(fā)的系統(tǒng)在樣機(jī)上的運(yùn)用，通過試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。其中，人機(jī)界面簡(jiǎn)潔直觀，參數(shù)化操作，簡(jiǎn)單易懂，在外圓磨床行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，系統(tǒng)采用高性能PLC，大幅提高數(shù)據(jù)處理速度，使系統(tǒng)具有良好的高效、高精性能，可滿足高檔數(shù)控外圓磨床的對(duì)高性能數(shù)控系統(tǒng)的要求。

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