羅明珠

摘 要：針對外圓磨床實(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；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

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?，涌現(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)對高精、高效、智能化的需求，以減輕磨削加工對操作者的技能要求，提高磨削效率和磨削精度。為此，針對高精密軸類、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。

一、外圓磨床的理論簡介

（一）外圓磨床的基本結(jié)構(gòu)

外圓磨床的5個(gè)主要部件包括成型砂輪、工件、金剛筆、端面量儀測頭和徑向量儀測頭。其中金剛筆固定在頭架上，因此金剛筆和工件之間的相對位置是固定的。端面量儀固定在砂輪架上，因此砂輪和端面量儀測頭之間的相對位置是固定的。以頭架（金剛筆、工件）為固定參照物，成型砂輪在機(jī)床坐標(biāo)系下沿X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)成型砂輪的圓周面輪廓與加工工件所要求的輪廓形狀精確一致，通過一次磨削加工循環(huán)，就可以完成對工件的加工[1]。

金剛筆用來對新砂輪進(jìn)行定型修整，把新砂輪修整為所希望的形狀。此外，磨削加工中，成型砂輪不斷磨損而變鈍和失去形狀，需要用金剛筆對成型砂輪進(jìn)行輪廓修整，使之變得鋒利和恢復(fù)到所希望的形狀。顯然，對砂輪進(jìn)行定型或修整之后，必須調(diào)整工件坐標(biāo)原點(diǎn)和砂輪原點(diǎn)，以使修整后的砂輪仍然能加工出合格的零件。

工件安裝在頭架和尾架之間的頂尖上。一般來說，工件軸線即為工件坐標(biāo)系Z軸。但是，由于工件頂尖孔的大小的影響，每次安裝一個(gè)待加工的工件，工件坐標(biāo)原點(diǎn)會(huì)沿Z軸方向發(fā)生偏移。因此，每安裝一個(gè)工件都需要對工件坐標(biāo)原點(diǎn)的Z坐標(biāo)值進(jìn)行重新設(shè)定。

端面量儀就是用來對工件坐標(biāo)原點(diǎn)的Z坐標(biāo)值進(jìn)行重新設(shè)定的。如圖1所示，令端面量儀測頭伸出到超過成型砂輪圓周面的位置，移動(dòng)砂輪架，令端面量儀測頭沿Z方向逼近并輕觸工件的某個(gè)端面，即可對工件坐標(biāo)原點(diǎn)的Z坐標(biāo)值進(jìn)行重新設(shè)定。徑向量儀測頭用來對工件直徑進(jìn)行在線測量，以確保加工精度。

（二）外圓磨床的基本動(dòng)作

外圓磨床的運(yùn)行動(dòng)作主要包括以下3個(gè)部分：

第一，磨削加工，即砂輪在按照程序指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，并對工件進(jìn)行磨削加工。具體包括以下3種磨削加工類型：切入磨，即砂輪對準(zhǔn)工件的加工部位，沿X軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，對工件圓周面進(jìn)行磨削。縱磨，第一步，砂輪運(yùn)動(dòng)到工件的加工部位的Z軸起始位置；第二步，砂輪沿X軸負(fù)方向運(yùn)行一個(gè)步長；第三步，沿Z軸運(yùn)動(dòng)到工件加工部位的Z軸終止位置；第四步，砂輪再沿Z軸運(yùn)動(dòng)到工件加工部位的Z軸起始位置，重復(fù)步驟二、三、四對工件圓周面進(jìn)行磨削，直到工件尺寸達(dá)到加工要求[2]。端面磨，即砂輪運(yùn)動(dòng)到工件的加工部位，沿Z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，對工件端面進(jìn)行磨削。

第二，砂輪定型，即金剛筆按照指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，對一個(gè)新砂輪進(jìn)行修磨，使這個(gè)新砂輪具備所需要的特定形狀。

第三，砂輪修整，即金剛筆按照成型砂輪的輪廓線，對成型砂輪的輪廓進(jìn)行修磨，使之精確地與所要求的形狀相符。

二、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）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。

（二）控制系統(tǒng)的技術(shù)方案

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)[3]。

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100kHZ的脈沖，輸出脈沖也可以100kHZ。

2.控制系統(tǒng)的工作原理

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應(yīng)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。

三、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，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)界面簡潔直觀，參數(shù)化操作，簡單易懂，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)控外圓磨床的對高性能數(shù)控系統(tǒng)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]徐公志，胡苗，田勇強(qiáng)，馮燕明，翟淑珍.數(shù)控壓縮機(jī)曲軸偏心外圓磨床的設(shè)計(jì)與研究[J].精密制造與自動(dòng)化，2013（02）：24-26.

[2]楊延水.基于外圓磨床數(shù)控化改造的分析與研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2013（03）：35-36.

[3]秦曉慧，戴蓉，宋野.工件尺寸非接觸在線檢測方法與實(shí)驗(yàn)研究[J].測控技術(shù)，2015，34（04）：5-8.