張穎穎

(三門峽職業(yè)技術學院 河南三門峽 472000)

數(shù)控內圓磨床軟件系統(tǒng)設計

張穎穎

(三門峽職業(yè)技術學院 河南三門峽 472000)

數(shù)控內圓磨床的軟件系統(tǒng)是整個產品功能實現(xiàn)的關鍵，根據(jù)數(shù)控內圓磨床的功能要求進行任務劃分，給出了系統(tǒng)的總流程和各個功能模塊的程序設計，最終與硬件系統(tǒng)聯(lián)合調試，實現(xiàn)數(shù)控內圓磨床的具體功能，使數(shù)控內圓磨床真正實現(xiàn)自動化控制。

數(shù)控內圓磨床;軟件系統(tǒng);自動加工;人機界面

1 系統(tǒng)軟件總體設計

1.1 系統(tǒng)軟件任務分析

系統(tǒng)軟件的編寫要根據(jù)數(shù)控內圓磨床的功能來進行分析，并對系統(tǒng)進行任務劃分。任務劃分的目的是使軟件系統(tǒng)得到簡化，具有合理的任務數(shù)目，資源要求少。系統(tǒng)任務應具有獨立性和并發(fā)性，使得任務之間邏輯關系上平等，同時可以并發(fā)運行，以降低系統(tǒng)資源需求。而劃分的任務數(shù)目越多，單個任務的功能就越簡單，子程序設計和調試將越容易，而且系統(tǒng)軟件的運行效率反而會降低，反之亦然。因此合理地劃分任務，可以提高系統(tǒng)軟件的整體運行效率。

常用劃分任務方法是，首先以微處理器為中心，按照系統(tǒng)與外部的各種輸入/輸出設備相關的功能劃分出獨立的任務，然后根據(jù)具體情況進行調整。譬如，如果有非常關鍵的重要功能，就可以將其劃分為一個獨立任務完成;有對于實時性較高要求的功能部分，應將其用一個獨立的高優(yōu)先級任務完成，對于耗時長的數(shù)據(jù)處理功能劃分出來，劃分為低優(yōu)先級任務;將關系緊密的功能部分組合成為一個任務等。

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，按照常規(guī)任務劃分方法，結合數(shù)控內圓磨床系統(tǒng)的結構框圖和系統(tǒng)實現(xiàn)的加工流程控制、伺服進給、觸摸顯示等功能，將系統(tǒng)軟件任務劃分為4個模塊，分別是手動加工模塊、自動加工模塊、砂輪自動修整模塊、位置控制模塊等。

1.2 系統(tǒng)軟件總體設計

手動加工模塊是針對原機床保留下來的手動控制按鈕，和觸摸屏上的手動控制觸摸鍵，設定不同操作按鈕相對應的操作動作，驅動數(shù)控機床進行手動控制下的磨削加工。

自動加工模塊，主要是對PLC編寫磨削加工的工作流程，利用PLC的指令執(zhí)行和信號分析處理功能，完成數(shù)控內圓磨床的自動化磨削加工過程。

砂輪自動修整模塊，主要是通過檢測裝置檢測砂輪的尺寸和形狀與預先的設定值進行比較，控制砂輪修整器對砂輪進行自動修整，使砂輪恢復磨削面的磨削性能和正確的幾何形狀。

位置控制模塊，主要是由CPU根據(jù)加工命令和加工處理的數(shù)據(jù)輸出相應的加工控制信號，由位置控制單元產生脈沖，根據(jù)脈沖的頻率來確定轉動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉動的角度，來實現(xiàn)對交流伺服電機的轉矩和轉速的調節(jié)，進而完成對伺服進給的控制。

觸摸顯示模塊，主要是通過編程設計觸摸屏的控制畫面和相應功能的觸摸鍵，并使之與相對應的程序產生關聯(lián)，即當觸摸鍵被選中時，就執(zhí)行對應的程序，并把加工過程中的位置信息顯示在屏幕上。系統(tǒng)軟件流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序首先對PLC內部的定時器和端口進行配置，包括I/O口功能配置、串行通信口初始化、中斷方式初始化、定時器初始化等參數(shù)的設置、系統(tǒng)自檢等。程序整體結構采用順序執(zhí)行，按照內圓磨床的磨削加工工藝執(zhí)行，當加工環(huán)節(jié)操作的時間結束后，進入下一個加工環(huán)節(jié)。系統(tǒng)對所加工工件進行計數(shù)，當加工一定數(shù)量工件后，自動執(zhí)行砂輪修整環(huán)節(jié)。相應計數(shù)器復位，等待下一輪循環(huán)時再繼續(xù)執(zhí)行。

2 功能模塊程序設計

結合數(shù)控內圓磨床的硬件系統(tǒng)結構框圖和系統(tǒng)實現(xiàn)的測量、顯示、控制、磨削加工等功能，系統(tǒng)軟件主要設計任務為磨削進給機構伺服控制程序，工作程序主要包括手動加工程序、砂輪自動修整程序、自動加工程序和故障診斷程序等4個部分，可實現(xiàn)電氣原點的手動設置、手動模式與自動模式的切換、單次運行與連續(xù)自動運行的切換、砂輪的各種修正模式以及順序復位［1］。

2.1 手動加工程序

手動調整程序用于磨床手動加工時各種動作的調整，程序設計中規(guī)劃了各種動作之間的互、聯(lián)鎖關系。如當卡具松開后絕對不能啟動工件主軸;當工件主軸正在轉動時，絕對不能松夾具;當修整器倒下后，絕對不能使縱向工作臺前進等。圖2為磨床手動加工調整畫面。

圖2 手動加工調整畫面

2.2 自動加工程序

通過利用檢測裝置和自動加工程序實現(xiàn)內圓磨床的自動加工。在測量工件內徑時，設置參數(shù)要求設定P1＜P2＜P3＜P4。內圓磨削的程序流程如圖3所示。

PLC將采集到的內圓實時數(shù)據(jù)與設定的信號控制點數(shù)據(jù)進行比較，測量裝置發(fā)出粗磨、精磨、光磨、到尺寸等信號到磨床控制系統(tǒng)，磨床控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號對進給機構進行控制，從而達到磨床自動加工零件的目的。在零件的磨削過程中，P1點是快速進給到粗磨加工的切換點，P2點是粗磨到精磨加工的切換點，P3點是精磨到光磨加工的切換點，P4點是到尺寸的退刀點。磨床控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號，執(zhí)行相應的動作，完成一個零件的自動磨削加工過程［2］。

圖3 內圓磨削程序流程圖

在零件磨削加工過程中，最初需要利用標準件對傳感器位置進行人工調零，單純的人工調整很難跳到零位值，因而增加了自動調零程序，即在手工調整使顯示接近0值時，按下自動清零鍵，將屏幕顯示值清為0，實際上在程序內部將此時的測量值保存下來，作為零值偏差，后面的測量數(shù)據(jù)均加上次零值偏差，達到自動調零的目的。

自動加工是通過在工件加工時運行自動磨削循環(huán)程序實現(xiàn)的。磨床電機啟動后在觸摸屏上按“自動”按鍵就進入圖4所示的自動加工畫面。畫面動態(tài)顯示自動加工時磨床的各種工作狀態(tài)?？刂七^程為:當設定為自動加工后，系統(tǒng)自檢查磨床是否正常，若顯示正常，磨架快速向磨削位置前進，同時工作臺左移。砂輪軸電機啟動，磨架繼續(xù)運動到磨削位置并往復運動。當系統(tǒng)檢測到磨架到位后，開冷卻泵，PLC根據(jù)設定好的快進、粗磨、精磨、光磨參數(shù)發(fā)出定位脈沖串，經伺服驅動器放大后驅動伺服電機完成相應進給任務。加工到尺寸后，磨架右移，工作臺左移。當檢測到有修整信號時，磨架左移到修整位置，修整器倒下，開始砂輪自動修整。待修整完畢，修整架抬起，磨架右移。然后等待下一次自動循環(huán)過程。

圖4 半自動加工畫面

2.3 砂輪自動修整程序

砂輪修整是指用修整工具將砂輪修整成形或修去磨鈍的表層，以恢復工作面的磨削性能和正確的幾何形狀的操作過程。以下幾種情況均應進行砂輪修整:砂輪磨損到一定程度而不能工作時;砂輪表面被磨屑堵塞，塑性金屬粘結而導致磨粒的磨削性能嚴重降低時;形成磨削輪廓失真時［3］。

砂輪修整有兩個作用:一是去除外層已鈍化的磨?；蛉コ驯荒バ级氯说囊粚幽チ?，使新的磨粒顯露出來;二是是砂輪修整后有足夠量的有效切削刃，從而提高加工表面質量［4］。

及時而正確地修整砂輪，是提高磨削效率和保證磨削質量不可缺少的重要環(huán)節(jié)。砂輪穩(wěn)定的特性對于數(shù)控磨床非常重要，一個好的修整工作可以減小磨削力的變化，使磨削狀況更容易控制。

砂輪自動修整程序根據(jù)加工工件的尺寸、材料及砂輪材料、砂輪粒度、氣孔、硬度、結構以及表面粗糙度和砂輪幾何參數(shù)的誤差等具體情況，找到加工精度與加工效率的平衡點，得出使加工性能達到最佳的最大加工件數(shù)，將它作為計數(shù)器的預設值，用計數(shù)器對砂輪加工工件個數(shù)進行計數(shù)，當計數(shù)器數(shù)值達到預設值時，自動進行砂輪修整，實現(xiàn)砂輪修整的自動化。圖5為砂輪自動修整程序流程圖。

2.4 人機界面設計

設計觸摸屏控制畫面由調整畫面、自動畫面、報警畫面、參數(shù)設置畫面和故障診斷畫面組成，在人機界面軟件開發(fā)包中設定好模塊參數(shù)，設定人機界面通訊站號為0，PLC通訊站號為1。設計好的5個人機界面根據(jù)PLC內部寄存器D0的數(shù)據(jù)變化，自動切換。

圖5 砂輪自動修整程序流程圖

設計有5個觸摸鍵，觸摸相應按鍵即進入調整、自動、參數(shù)、診斷、報警畫面。調整畫面用于連續(xù)、慢速、位置調整、回零、零點設置、磨架進出、砂輪修整等手動操作。自動畫面顯示X軸當前位置、工步狀態(tài)、循環(huán)時間、工件計數(shù)等信息［5］。報警畫面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設計，對X軸極限位置、伺服驅動器工作狀態(tài)、砂輪變頻器、工件變頻器等部件的運行狀態(tài)實時監(jiān)測和自動報警，當發(fā)生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息。參數(shù)設置畫面可設置數(shù)控磨削相關參數(shù)，如圖6所示。

圖6 觸摸屏參數(shù)設置畫面

故障診斷畫面可以了解I/O接口信號的通斷狀態(tài)，出現(xiàn)異?？煽焖倥懦收?。在一些動作之間設置了互、聯(lián)鎖，防止發(fā)生沖突。在當前條件下不允許執(zhí)行其他操作時，若按下其他功能按鍵，則磨床不會做出相應動作。

3 結束語

本文對數(shù)控內圓磨床控制系統(tǒng)的軟件設計任務進行了分析和劃分，采用模塊化設計方法給出了整體軟件設計流程，并分別對系統(tǒng)的自動加工模塊、砂輪修整模塊、位置控制模塊的軟件進行了分析與設計，繪制出了相應的模塊程序流程圖。完成整個數(shù)控內圓磨床控制系統(tǒng)尺寸檢測、控制和顯示的功能。

［1］ 吳劍峰，沙杰，汪敏，等.M224型半自動內圓磨床數(shù)控化改造技術［J］.控制與檢測，2010(5):56-59.

［2］ 劉戰(zhàn)術，常曉玲.用于控制錐面磨床人機界面的PLC程序設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2008 (2):90-93.

［3］ 潘盛湖.全閉環(huán)數(shù)控凸輪軸磨床控制系統(tǒng)設計與開發(fā)［D］.重慶:重慶大學，2007:15-18.

［4］ 舒創(chuàng).基于開放式數(shù)控平臺的外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)［D］.武漢:華中科技大學，2007:37-45.

［5］ 劉戰(zhàn)術，常曉玲.伺服定位單元、PLC、觸摸屏在精密磨床控制中的應用［J］.制造技術與機床，2008(5): 28-31.

Design of the Software System in NC Internal Grinder

ZHANG Ying-ying
(Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia 472000，China)

The software system in NC internal grinder is the key to realize the product function.The paper assigns the tasks according to the function requirement of NC internal grinder，presents the total process of system and the program design of each function module.And by joint debugging with the hardware system，the design can realize the specific function of NC internal grinder and achieve the real automatic control of NC internal grinder.

NC internal grinder;software system;automatic processing;man-machine interface

book=136,ebook=136

TG 596

A

1672-2434(2012)03-0037-04

2012-03-27

張穎穎(1984-)，女，助教，碩士，從事研究方向:自動檢測技術