李遠哲，廖小亮，楊莉，賀響清

（武漢寶德機電有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430080）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步和市場的快速變化，給機床再制造（machine tools rebuild）行業(yè)帶來機遇，也帶來了更多挑戰(zhàn)。機床再制造的產(chǎn)品必需不斷滿足更高的要求，比如普通機床改造不僅要求恢復(fù)精度，而且需要增加數(shù)控功能等。讓廢舊的機床設(shè)備，生產(chǎn)機械，通過改造重新投入使用，這已成了當(dāng)前循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)的一個重要課題。本文中論述的雙輪磨床改造就是這樣一個例子。該設(shè)備是一臺上世紀(jì)早期FARREL 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，我們的用戶作為二手設(shè)備買進后，希望將該設(shè)備改造成加工造紙機軋輥的專用數(shù)控磨床，提高設(shè)備的加工精度和效率。

雙輪磨床數(shù)控化改造是一個機電一體化工程，需要將原來復(fù)雜的機械傳動鏈改造成便于數(shù)控的新傳動鏈，將原來用機械凸輪實現(xiàn)的軋輥曲線磨削，改造成由數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的軋輥曲線磨 削。在這個改造項目中，由于雙輪磨床有兩套砂輪架，共有五臺伺服電機需要同步控制，所以我們選用了西門子的運動控制系統(tǒng)SIMOTION[4]作為設(shè)備的控制平臺。

運動控制系統(tǒng)SIMOTION 把傳統(tǒng)的邏輯控制（PLC），伺服運動控制和曲線加工工藝等各種功能集成到了一起，對于含有多軸復(fù)雜運動的控制項目而言，應(yīng)用SIMOTION 作為開發(fā)平臺可以簡化工程開發(fā)與調(diào)試時間。在本系統(tǒng)中，每個數(shù)控進給軸均由S120 驅(qū)動器+1FT6 伺服電機驅(qū)動[3]組成，利用SIMOTION 運動系統(tǒng)的電子凸輪取代原來的機械凸輪控制，化解了軸與軸之 間復(fù)雜的同步關(guān)系，通過西門子公司的HMI 人機界面，用戶只需選擇曲線類型，填寫相關(guān)參數(shù)，即可完成完成各種曲線磨削加工，這是普通經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)所難于做到的。由于系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)，通過分布式分站結(jié)構(gòu)，將雙輪磨床的上百個輸入/輸出（I / O）點和磨床 兩側(cè)操作站的HMI 人機控制界面連接在一起，既可以降低布線數(shù)量，減少人工安裝成本，又可以減少故障點，便于以后的維護、檢修及故障排查。

下面我們將通過對系統(tǒng)總體設(shè)計方案和系統(tǒng)運行效果的描述，介紹我們對SIMOTION 運動系統(tǒng)的應(yīng)用體會。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 雙輪軋輥磨床和系統(tǒng)總體布局

雙輪磨床具有兩個磨削工位：一個是磨削砂輪（6），對軋輥（5）進行磨削加工，另一個砂帶輪（19）驅(qū)動砂布帶運動，對軋輥進行精磨和表面拋光處理，能夠提高軋輥的光潔度，使加工的軋輥精度更高。兩個磨架安裝在一個大滑架（12）上，其外形如圖1 所示。

圖1 雙輪磨床外形結(jié)構(gòu)示意圖

為了便于描述，根據(jù)圖1 作如下定義：大滑架運行的方向為Z軸，砂輪進給磨削的方向為X軸方向，進給范圍為±300 mm；U軸是替代原來的機械凸輪機構(gòu)，通過將磨架尾部抬起，實現(xiàn)砂輪（6）向工件（5）趨近的微進給，在本設(shè)備中微進給范圍為±3 mm；砂帶輪（19）的控制與砂輪（6）的控制基本一致，所以，我們下面主要介紹砂輪進給的控制情景。

雙輪磨床控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 雙輪磨床控制系統(tǒng)框圖

主站選用Simotion D435，主站地址是2；通訊采用了兩個 PROFIBUS 總線段，DP1 和DP2。由于雙輪磨床的I/O 數(shù)量有上百個，所以使用了多個分站處理I/O 信號。

總線段DP1；站地址是7 的從站，主要用來控制主軸潤滑液壓站、導(dǎo)軌潤滑液壓站、砂輪冷卻水和磁性渣水分離器，進行溫度，壓力，流量等I/O 點的監(jiān)測和控制；8 號從站，主要用于磨削側(cè)砂輪直流電機的控制，本系統(tǒng)的直流調(diào)速器均采用的是西門子公司6RA70 裝置，通過通訊接口，可以監(jiān)測裝置的運行狀態(tài)，控制電機的電流、電壓和轉(zhuǎn)速；9 號從站，主要用于拋光側(cè)砂帶輪直流電機的控制；10 號從站，主要用于工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的直流電機控制，方法與8 號從站所述相同。

總線段DP2：3 號從站，主要用來控制磨削側(cè)各種機械動作，如監(jiān)測和控制斷電保護液壓站的運行，控制砂輪修磨裝置進行砂輪修磨，X、U 軸是否碰參考點或碰極限開關(guān)等；5 號從站，則主要用來控制拋光側(cè)各種機械動作，4 號從站接收磨削側(cè)控制站中人機界面 HMI 中的信息，6 號從站則接收拋光側(cè)控制站中人機界面HMI 中的信息，均能輸入?yún)?shù)，實時顯示加工參數(shù)和機床狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計的邏輯結(jié)構(gòu)

SIMOTION 運動系統(tǒng)通過模塊化的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，使運動系統(tǒng)軟件的開發(fā)更方便，模塊化的程序設(shè)計也使應(yīng)用與維修人員更容易理解讀懂程序、維護與更新程序。在雙輪磨床的數(shù)控化改造中，我們把程序分為5 個主要模塊：1）數(shù)據(jù)傳輸、處理；2）任務(wù)調(diào)用；3）狀態(tài)監(jiān)控；4）運動子功能；5）邏輯子功能。

模塊功能描述如下。

數(shù)據(jù)傳輸處理：這個模塊主要完成 I/O 傳輸、機床狀態(tài)、報警信號，人機界面中的加工參數(shù)、報警信息，還有部分?jǐn)?shù)據(jù)的運算，如齒輪比、進給倍率、主軸倍率、設(shè)定值的限幅等等，與程序中的變量進行數(shù)值交換。

任務(wù)調(diào)用：這個模塊主要是運動子功能和邏輯子功能中子程序的調(diào)用。

狀態(tài)監(jiān)控：模塊運行狀態(tài)的監(jiān)控、外部I/O、報警信號的處理等。

運動子功能：和運動相關(guān)的程序的集合，如：回參考點，運動到起磨點，砂輪趨進，端進給，磨削循環(huán)，運動到結(jié)束點，手輪同步，主程序，刪除余程，復(fù)位任務(wù)，緊急回退等。

邏輯子功能：和機床相關(guān)的子程序的集合，如：驅(qū)動使能，軸點動控制，工件主軸控制，砂輪主軸控制，手輪控制，液壓潤滑控制，冷卻，過濾器的控制等。

2.3 系統(tǒng)程序的執(zhí)行和調(diào)用關(guān)系

循環(huán)處理的任務(wù)：系統(tǒng)在工作時根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的時序循環(huán)調(diào)用和執(zhí)行各種子程序，比如循環(huán)監(jiān)測各種故障狀態(tài)，處理輸入、輸出數(shù)據(jù)，控制機床正常運行等。

調(diào)用執(zhí)行的任務(wù)：當(dāng)系統(tǒng)得到新的控制指令時，會根據(jù)指令的性質(zhì)，調(diào)用相關(guān)子程序，如圖3 所示。

圖3 調(diào)用執(zhí)行的任務(wù)框圖

圖3 中，空心箭頭代表數(shù)據(jù)的傳輸，實心箭頭代表子程序的調(diào)用。

磨床自動補償進給運動控制的具體實現(xiàn)：主要通過對“運行自動程序”中“磨削工藝循環(huán)”子程序介紹，了解各數(shù)控線性軸的運動狀態(tài)。

根據(jù)磨削加工工藝要求，砂輪進給不僅要與Z 軸連鎖運行，實現(xiàn)曲線磨削而且還要求在磨削過程中補償砂輪磨削損耗及對工件安裝誤差進行錐度補償，所以每個磨架安裝有兩個進給軸X，U，這兩個軸都能與大滑架的軸Z進行插補控制，能夠?qū)崿F(xiàn)磨削工藝要求的各種進給的控制。

X軸：它的位置運動由3 部分組成。

1）端進給：在Z軸運動至曲線兩端暫停時進行進給，如圖4 所示，進給量和是否進給均可選擇。

圖4 端進給軌跡圖

圖4 中①為Z軸軌跡，②為X軸軌跡。

2）錐度補償：當(dāng)工件安裝有偏差，或者工件表面有要求時，進行錐度補償，這個位置運動使X軸與Z軸的運動建立了一個同步關(guān)系，由Z軸的位置可以確定X軸的位置，如圖5 所示。

圖5 帶錐度補償?shù)腦 軌跡圖

圖5 中①為Z軸軌跡，②為X軸端進給，③為端進給+錐度補償生成的曲線

3）手輪補償：當(dāng)機床在磨削過程中，操作人員可以通過手動干預(yù)，對當(dāng)前位置進行微調(diào)，這種情況下，使X軸與手輪也建立一個齒輪的同步關(guān)系，X軸跟隨手輪的運動，如圖6 中的⑤所示。

圖6 帶多種補償?shù)腦 軌跡圖

圖6 中①為Z軸軌跡，②為X軸端進給，③為綜合生成的X軸實際進給曲線，④為錐度補償，⑤為手動補償。

在大部分的工作狀況下，這3 種位置運動是都需要的，我們要把這3 種運動作為位置設(shè)定值進行疊加傳入X軸的命令緩沖區(qū)。圖6 是采用了SIMOTION 自帶的TRACE 記錄了X軸的位置運動和Z軸的運動的相關(guān)曲線圖。這3 個運動的疊加最終形成了X軸的位置運動曲線如圖6中的③所示。

U軸：它的位置運動由兩部分組成：

1）砂輪補償：在磨削過程中，砂輪的補償磨削才是主要的磨削方式，由于砂輪的磨削脫粒，它不同于錐度補償，它的運動方向是一直前進的，補償作為一個位置的值，與Z軸之間是一個齒輪同步關(guān)系。如圖7 中曲線④所示；

2）凸輪同步：在這里，U軸與Z軸之間是一種函數(shù)關(guān)系，比如正弦函數(shù)、余弦函數(shù)或者是一組相關(guān)點集合組成的曲線，與機械凸輪相比，電子凸輪曲線的設(shè)置要靈活得多。如圖7 中②所示的是SIN 曲線的70°區(qū)間的一段。

圖7 中曲線③是砂輪補償④與凸輪曲線②疊加得到的運行曲線。

圖7 帶砂輪補償?shù)纳拜哢 軸正弦進給軌跡圖

圖7 中，①為Z軸運動軌跡，②為U軸基本坐標(biāo)系的凸輪運動，③為U軸實際值，④為U軸疊加坐標(biāo)系的砂輪補償。

在圖7 中可以看到，U軸基本坐標(biāo)系、疊加坐標(biāo)系和U軸實際值與Z軸的關(guān)系。至此，通過X軸、U軸、Z軸的運動，擬合出磨頭的運動軌跡。

磨削側(cè)、拋光側(cè)的運動方式基本一致。

2.4 數(shù)據(jù)處理與安全操作

在磨削中的各種工藝參數(shù)，可在磨削前通過HMI 人機界面進行設(shè)置，如圖8 所示。

圖8 雙輪磨床參數(shù)設(shè)置界面圖

通過控制界面設(shè)定的參數(shù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理變成系統(tǒng)可以控制的參數(shù)，同時為了防止誤操作，機床的加工參數(shù)應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)是被限定的。比如，軸點動速度，在加工時的軸運行最大速度，砂輪轉(zhuǎn)速，工件主軸轉(zhuǎn)速，凸輪曲線的最大中高，砂輪磨削脫粒補償?shù)淖畲笾?，磨削端進給的最大值等等。這些數(shù)值在輸入過大時，應(yīng)該被自動限制在有效值范圍內(nèi)。

同時還要考慮到不當(dāng)?shù)募庸?shù)的設(shè)定的危險，比如，Z軸循環(huán)移動距離設(shè)置過?。◣譵m 或幾十mm）砂輪補償或凸輪高度卻設(shè)置過大（幾十絲的砂輪補償，幾mm 的錐度補償，幾mm 的凸輪高度），這樣的參數(shù)設(shè)置都是極其危險的。當(dāng)系統(tǒng)檢查到類似的參數(shù)設(shè)置時，要求自動停止運行，同時在人機界面上給出提示信息。

為了便于加工，還需要考慮部分的加工參數(shù)在運行中是可修正的，比如，軸運行速度，砂輪轉(zhuǎn)速，工件主軸轉(zhuǎn)速，砂輪補償值，錐度補償值等。當(dāng)然，為了安全起見，也有部分的加工參數(shù)在運行中是不可變動的的，如，凸輪高度等。

2.5 安全與保護

這部分功能主要由“報警監(jiān)控”模塊完成，并可通過HMI 人機界面進行顯示，如圖9 所示。

圖9 雙輪磨床報警參數(shù)顯示界面圖

“報警監(jiān)控”模塊實時監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，如主軸油壓，油溫，油箱的油量，各交流輔助電機是否有過載。磨削，拋光的電機的電流是否在正常工藝要求范圍內(nèi)，若電流過大則表示進刀量過大，有砂輪被憋住的危險。在自動磨削過程中，如果檢測機床出現(xiàn)了故障，這時侯系統(tǒng)能自動刪除工作余程，復(fù)位任務(wù)，X軸緊急回退，并給出報警，保護機床和工件。如果在非自動運行狀況下檢測到故障信號，系統(tǒng)給出報警并禁止啟動。

3 數(shù)控雙輪磨床運行效果簡介

雙輪磨床經(jīng)過機電一體化改造，實現(xiàn)了用戶要求的各項功能，圖10 是機床的工作圖片。

圖10 雙輪磨床改造后的加工現(xiàn)場圖片

圖11 是雙輪磨床X 軸工作時的電機特性曲線。

圖11 雙輪磨床X軸的電機動態(tài)曲線

圖11a 中：①是速度給定指令，②是實際速度曲線，③是實際力矩。通過參數(shù)整定，電機在無速度超調(diào)的情況下反應(yīng)非?？?，圖11b 中：①是給定位置，②是實際位置，可以看到跟蹤是比較好的，本系統(tǒng)通過實際運行調(diào)試，各項性能指標(biāo)均能滿足用戶的要求，通過中文顯示的操作界面，操作者能很好的進行機床各項動作的操作。

4 結(jié)論

綜上所述，采用Simotion 作為主控制器，可以大大減少多軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試工作量，用先進技術(shù)對二手設(shè)備進行再制造，能提高設(shè)備重復(fù)利用率，大大降低了資源的浪費，有利于當(dāng)前國家倡導(dǎo)的兩型社會建設(shè)，意義重大。

［1］韓全立 自動控制原理與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［2］彭瑜，何衍慶.IEC61131-3 編程語言及應(yīng)用基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］田宇.伺服與運動控制系統(tǒng)設(shè)計，人民郵電出版社，2010.

［4］西門子公司.SIMOTION 系統(tǒng)和功能描述.