新型高精度磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/肖劍

根據(jù)內(nèi)圓磨床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及高等級(jí)軸承內(nèi)徑的磨削要求，本文提出了新型高精度磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)+定位模塊+手輪控制模塊+伺服系統(tǒng)+觸摸屏的控制方案，以實(shí)現(xiàn)編程輸入、人機(jī)交互、自動(dòng)化加工的控制方式，擴(kuò)大加工能力，減少故障，提高效率，利用該方案控制的磨床實(shí)現(xiàn)了與數(shù)控系統(tǒng)相同的控制效果。

【關(guān)鍵詞】高精度磨床 PLC 定位模塊 觸摸屏 控制系統(tǒng)

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，用戶(hù)對(duì)機(jī)床性能及加工工藝的要求不斷提高。高精度磨床正向數(shù)控化，柔性化，智能化的方向發(fā)展。而數(shù)控系統(tǒng)性能優(yōu)劣、功能強(qiáng)弱則直接影響到數(shù)控機(jī)床的加工精度，高檔型數(shù)控設(shè)備以其優(yōu)越的性能得到了廣泛地應(yīng)用，但成本投入高。近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)得到了的高速發(fā)展，運(yùn)動(dòng)參數(shù)如運(yùn)動(dòng)速度、位移距離都可以使用脈沖進(jìn)行控制，而PLC輸入、讀出、修改程序非常方便，因此，PLC在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了迅速推廣和快速發(fā)展。當(dāng)控制系統(tǒng)不太復(fù)雜，功能要求也不太繁多，用 PLC 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制可以代替成本較高的數(shù)控系統(tǒng)。本文通過(guò)研究開(kāi)發(fā)新型高精度磨床控制系統(tǒng) , 提出了中小孔內(nèi)圓磨床的設(shè)計(jì)思路與方法。 

1 磨床控制動(dòng)作

磨床的控制動(dòng)作由主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)兩種方式組成。磨削時(shí)主運(yùn)動(dòng)包括磨頭高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)包括工件軸徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、磨頭軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、金剛筆修整運(yùn)動(dòng)等。磨頭旋轉(zhuǎn)方向判定條件：當(dāng)人站在磨床操作面板的右邊，向工件方向看，磨頭旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針還是逆時(shí)針；磨頭旋轉(zhuǎn)正方向判斷原則：磨削火花向下；工件旋轉(zhuǎn)方向則應(yīng)該與磨頭旋轉(zhuǎn)方向相反。由于磨頭寬度比待磨削表面長(zhǎng)度窄，因此為了能夠磨削全長(zhǎng)，磨頭在磨削過(guò)程中需要往復(fù)運(yùn)行。圖 1 為機(jī)床主運(yùn)動(dòng)示意圖。

2 總體方案

從機(jī)床控制功能分析，機(jī)床的大部分控制為具有聯(lián)鎖功能的開(kāi)關(guān)量控制，只有磨頭軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制和工件徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制為脈沖控制，因此采用 PLC 輸入輸出模塊、定位模塊及相配套的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。考慮磨頭修整量會(huì)因磨頭的新舊程度及磨削狀況而隨時(shí)調(diào)整，操作人員需很方便地選擇機(jī)床的工作方式并能實(shí)時(shí)修改磨削參數(shù)，且能顯示各種工作信息，因此采用觸摸屏作為人機(jī)交流界面。考慮機(jī)械傳動(dòng)中的間隙問(wèn)題，采用伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠副連接，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)以上功能要求，確定采用三菱 Q 系列 PLC 及伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制磨床運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，如圖2 所示。

3 伺服系統(tǒng)的選型

伺服電機(jī)在確定了電機(jī)系列和額定轉(zhuǎn)速后，一般根據(jù)以下三個(gè)要素確定伺服電機(jī)具體型號(hào)：

（1）根據(jù)機(jī)床進(jìn)給軸設(shè)計(jì)的最快進(jìn)給速度，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定交流伺服電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

（2）選擇合理的負(fù)載慣量比。若負(fù)載慣量比過(guò)小，電機(jī)過(guò)載能力差、啟動(dòng)力矩小，且伺服參數(shù)因?yàn)榭刂茽顟B(tài)不穩(wěn)定，調(diào)整起來(lái)很困難。

（3）連續(xù)特性 ( 工作狀態(tài)載荷扭矩 )。為避免伺服電機(jī)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)造成過(guò)熱現(xiàn)象，必須檢測(cè)計(jì)算到它在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平均值，該值要小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。在選擇的過(guò)程中，依次計(jì)算三要素來(lái)確定電機(jī)型號(hào)，如三要素中任意一個(gè)要素不滿(mǎn)足條件，則采取更換電機(jī)型號(hào)或提高電機(jī)容量等措施。

3.1 伺服電機(jī)的負(fù)載慣量的計(jì)算

伺服電機(jī)主要根據(jù)編碼器分辨率高低、電機(jī)慣量的大小和電機(jī)額定轉(zhuǎn)速快慢來(lái)進(jìn)行區(qū)分，負(fù)載慣量分為旋轉(zhuǎn)負(fù)載和直線(xiàn)移動(dòng)負(fù)載，伺服電機(jī)應(yīng)具有合適的負(fù)載慣量倍率。

內(nèi)圓磨床X 軸的主要規(guī)格如表1所示。 

X軸負(fù)載慣量可分為旋轉(zhuǎn)負(fù)載慣量和直線(xiàn)移動(dòng)負(fù)載慣量來(lái)計(jì)算。直線(xiàn)移動(dòng)負(fù)載慣量的計(jì)算如公式(1-l) 所示：Jt=W×                                （1-1）式中：W—運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量/Kg；L—絲杠導(dǎo)程/ mm。把表3-3 中的數(shù)據(jù)代入公式(3-l) 中Jt=200× =1.82(Kg•cm2)旋轉(zhuǎn)負(fù)載慣量 JR 的計(jì)算方法如公式 (1-2)所示：Jt=    • D4                                （1-2）式中：l—絲杠長(zhǎng)度/cm；D—絲杠直徑/cm； ρ—絲杠密度/ Kg•cm3絲杠密度取 7.8×10-3Kg•cm3，把表 1-3 中數(shù)據(jù)代入公式(1-2) 中 JR= ×2.54=0.93(Kg•cm2)故X 軸負(fù)載慣量JL 為： JL=JT+JR=1.82+0.93=2.75(Kg•cm2)

根據(jù)上述所得數(shù)據(jù)，查閱三菱伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用手冊(cè)，選用 HC-SFS152 型伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速 2000r/min，額定功率 1KW，額定電流 5.3A，額定轉(zhuǎn)矩 4.77N•m，最大扭矩 14.3N•m，靜態(tài)扭矩 8.5N•m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4.31Kg•cm2。

3.2 短時(shí)間特性計(jì)算

ta=                （1-3）式中：JM —電機(jī)慣量/ Kg•cm2TMAX—電機(jī)最大扭矩/ N•m從三菱伺服系統(tǒng)使用手冊(cè)里查找相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1-3）中ta=  =52.3(ms)得到ta<100ms滿(mǎn)足條件。

3.3 連續(xù)特性計(jì)算

 連續(xù)實(shí)效負(fù)載扭矩 Trms 應(yīng)為靜態(tài)扭矩 Tst的80%以下，即：Trms  ≤  80%×Tst                              （1-4）Trms  = TL ×                          （1-5）式中： CDmax—最大負(fù)載慣量比從三菱伺服系統(tǒng)使用手冊(cè)里查找相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1-4）、（1-5）中Trms =2.12×   =2.26(N•m)Trms =  80%×Tst =0.8×8.5=6.8(N•m)得到 Trms <Trms '，滿(mǎn)足條件。綜 上 所 述， 控 制 系 統(tǒng) 選 用 三 菱 HC-SFS152型伺服電機(jī)，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是配合系統(tǒng)的硬件設(shè)置，來(lái)滿(mǎn)足機(jī)床的各種控制要求。并利用PLC編程軟件編制程序的靈活多變性，來(lái)提高機(jī)床的控制功能。用戶(hù)根據(jù)加工工藝要求，通過(guò)操作觸摸屏進(jìn)入主菜單界面，選擇某種工作方式。主程序在執(zhí)行過(guò)程中，則會(huì)調(diào)用相應(yīng)的順序功能圖程序塊，該控制系統(tǒng)包括五個(gè)順序功能圖程序塊,分別為：手動(dòng)磨架循環(huán)程序塊、手動(dòng)進(jìn)給程序塊、砂輪連續(xù)修整程序塊、自動(dòng)運(yùn)行程序塊、緊急復(fù)位程序塊，如圖4-1 所示。

5 結(jié)論與展望

本課題對(duì)如何使用 PLC 控制內(nèi)圓磨床伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)方案選取、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試及磨削試驗(yàn)，解決了以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）研究分析了高精密磨床工作特點(diǎn)及磨削工藝要求；

（2）選定了 PLC、定位模塊、觸摸屏、伺服系統(tǒng)等部件的型號(hào)，完成硬件電氣部分的設(shè)計(jì)；

（3）掌握了 Q 系列 PLC、D/A 模塊、定位模塊的參數(shù)設(shè)置和編程方法；

（4）掌握了三菱 MR-J3-200B 型伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)特征、參數(shù)設(shè)置及連接方法；

（5）合理規(guī)劃了 PLC 內(nèi)部變量 , 充分利用基于 PLC 開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)擁有的參數(shù)開(kāi)放化，部件模塊化等優(yōu)點(diǎn) , 完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化；

（6）熟悉了高精度磨床的動(dòng)作過(guò)程 , 優(yōu)化加工工藝,提高了加工精度；

（7）解決了電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的整合問(wèn)題；

（8）設(shè)計(jì)并調(diào)試了系統(tǒng)控制程序。 通過(guò)解決關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

（1）完成了高精度磨床預(yù)定的動(dòng)作要求,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床 X、Y軸的半閉環(huán)控制；（2）完成了觸摸屏畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)了互動(dòng)友好的人機(jī)對(duì)話(huà)功能；（3）脈沖當(dāng)量達(dá)到 0.1um/ 脈沖 , 重復(fù)定

位精度滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 范侃 .CIMT 2003 無(wú)心、內(nèi)圓磨床展品評(píng)述 [J]. 精密制造與自動(dòng)化 ,2003(03):12-13.

[2]沙杰,蔡干,曹志中.中小孔磨削高精度內(nèi)圓磨床設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床 ,2005(02):29-31.

[3]John Hutchinson.The business and safetylogic of Programmable controllers[J].Electrical Technology，2004(04):12-13．

[4]屈里強(qiáng)，數(shù)控軸承內(nèi)圓磨床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué) ,2004:28-29.

[5]蔡錦達(dá),崔守祥.全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表 ,2002(01):27-28.

[6]高鐘毓.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,1997:176-177.

[7]王均杰.數(shù)控軸承內(nèi)圓磨床進(jìn)給伺服系統(tǒng)特性分析[D].河南:河南科技大學(xué) ,2005:26-27.

[8] 余成波 , 胡新宇 , 趙勇 . 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.

作者單位

江蘇省揚(yáng)州技師學(xué)院　江蘇省揚(yáng)州市　225003