基于PLC的高精密數控外圓磨床數控系統的研究

翁盛檳　黃藝鴻　聶曉根

【摘 要】針對外圓磨床實現高效、高精密磨削加工的要求，采用PLC及人機界面實現數控外圓磨床的系統控制。通過設計磨削工藝流程、人機界面輸入磨削零件各加工工藝參數和設置電流磨削控制參數，實現砂輪自動切入、自適應磨削加工和自動切出等功能，達到高效高精密磨削要求。主要闡述系統軟、硬件構成及控制功能的實現。

【關鍵詞】外圓磨床；自適應磨削；PLC數控；人機界面

中圖分類號： TH164 文獻標識碼： A 文章編號： 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，Fuzhou University，Fuzhou 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鍵數控裝備，廣泛應用于機械制造、鋼鐵、汽車、工程機械等行業，市場需求量大。近年來，我國精密機床發展取得較大進步，機床的精度質量也已達到相當的水平，涌現出一批具有較高技術水平的中高檔磨床。但是在高精、高效、智能化設備與國外相比仍然有較大的差距。為適應現代制造業對高精、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（特別是細長軸）的磨削加工工藝，提出實現自動切入、自動磨削加工，自適應磨削控制功能（主要適應工件的輪廓和砂輪的脫落），設計開發了基于寶元數控“PLC+人機界面”的高精密外圓磨床數控系統，實現了高效率、高精度、操作自動化高的要求。

1 數控外圓磨床結構及主要技術指標

數控外圓磨床由床身、砂輪架、工作臺、頭架、尾架等部分組成，床身采用整體式結構，總體布局如圖1所示。機床床身采用高性能礦物復合材料，采用預先精加工導軌、軸承座等連接件，將連接件和管道通道在模型中定好位，以預埋的形式與樹脂混泥土澆鑄在一起，以提高機床的連接剛度，機床具有較好的抗振性及熱穩定性。X進給軸采用“靜壓+負壓”導軌，利用負壓吸浮式平面在工作表面上不同區域同時存在正壓和負壓的特點，使運動滑塊和承載導軌之間形成厚度穩定的微米級油膜，提高油膜厚度的穩定性、剛性，從而提高機床的運動精度和精度保持性。在滾珠絲杠機構+聯軸節+伺服電機的驅動方式下，選擇C1級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 2.主軸電機 3.修整器 4.頭架 5.工件 6.砂輪 7.砂輪架 8.X軸電機 9.砂輪電機10.床身 11.尾座 12.B軸電機 13.下工作臺 14.上工作臺 15.定位心軸 16.絲桿17.絲桿螺母

根據應用要求，制定了表1所示的機床主要技術指標。

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Ra0.1。

2 控制系統的硬件設計

2.1 控制系統的功能分析

控制系統要完成X、Z軸的伺服進給和砂輪主軸、頭架主軸的旋轉運動，還要實現液壓、氣路、冷卻等輔助系統的控制，也即一般數控機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）電流法自動對刀；

（2）恒電流磨削（自適應磨削控制功能）；

（3）多段變速磨削；

（4）斷電回退和緊急回退；

（5）砂輪自動修整及補償；

（6）手輪DRF（動態干預）功能；

（7）加減速進退刀；

（8）中途換向。

2.2 控制系統的技術方案

該高精密數控外圓磨床，配置2個伺服軸： 縱向Z 軸、橫向X 軸。加工時砂輪固定在砂輪架上，以設定的轉速高速旋轉；頭架主軸C軸帶動回轉型零件旋轉；Z軸帶動工作臺和工件作Z向往復移動；X軸帶動砂輪架向零件軸向方向做橫向的磨削進給運動。在該系統中，這些運動均由PLC來實現。

（1）控制系統的硬件組成

根據設備的工藝要求，本控制系統的PLC選用了寶元數控L600PLC——其內部集成了14路輸入接口和10路輸出接口。2路模擬輸入點和l路模擬輸出點，2個高速脈沖輸出，2個RS485通訊/編程口，其高速計數器可以采集100 kHz的脈沖，輸出脈沖也可以達到100 kHz。

（2）控制系統的工作原理

圖2為系統的工作原理圖，PLC與人機界面構成的控制系統主要由可編程邏輯控制器模塊、進給伺服控制模塊、主軸伺服控制模塊、輸入、輸出及通信模塊等組成。當要執行機床操作時，首先啟動主軸箱油泵，待操作者通過人機界面輸入指令后，系統會自動調出與人機界面輸入指令地址相對應的PLC程序，PLC通過執行梯形圖程序來控制其觸點，從而達到對接觸器、伺服電動機、電磁繼電器以及機床各個部件控制的目的。同時，PLC還會把光柵尺傳感器、伺服電動機編碼器、限位信號等一系列反映數控外圓磨床工作狀態的信息送回人機界面，用戶可以通過在人機界面上調整參數值來實時調整機床的工作狀態。而當機床一旦發生故障，PLC還會將傳感器與編碼器等反饋的信息進行比較來判斷其故障原因，并顯示一些重要的參數來實現機床的自我診斷。

3 控制系統的軟件設計

3.1 控制面板的界面設計

本系統采用寶元L600PLC配套的編程工具LNC_QUI_Designer進行系統參數設置、PLC程序的編制、測試、調試和文檔的處理。編程軟件主要用梯形圖編寫，程序編譯正確后通過FileZilla軟件傳輸到PLC。

根據高精密外圓磨床控制系統的功能要求和數控外圓磨削的工藝（粗磨-半精磨-精磨-拋光），設計開發高精密外圓磨床控制系統系統軟件，為提高磨削效率和磨削精度，充分降低操作者的勞動程度，減輕磨削加工對操作者的技能要求，數控系統設計有磨削參數設定、變速磨削、加減速進退刀、恒電流控制、中途換向、自動對刀等功能。數控系統主界面見圖3所示。

3.2 主要功能模塊的實現

（1）恒電流功能

在外圓磨削加工時，許多零件既有外形尺寸要求，也有表面質量要求。在數控外圓磨床上，回轉型零件的外形可以用數控編程控制砂輪的磨削路徑來實現，但要達到表面質量要求則較為復雜。因為設計的外圓磨床為高精密外圓磨床，對表面質量要求嚴格，不僅要求無振痕、無磨削條紋、較高的粗糙度，還要求整個回轉型零件表面質量一致性好——即整個回轉型零件的粗糙度必須在很小的范圍內波動。為達到較好的表面質量，根據早期的磨削工藝，在本次高精密外圓磨床數控控制系統中加入恒電流磨削功能。恒電流功能界面如圖4所示：（注：電流法自動對刀功能與恒電流功能的實現方法一致，都是通過硬件獲取砂輪電機的電流值來判斷控制砂輪架的進給和循環動作，不作另外贅述。）

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

實現方法：通過ADAM-6017模擬量輸入模塊從電源變頻器中讀取砂輪電機的電流值，并通過模數轉換存儲到PLC的內部存儲器，從而獲得基準電流值。根據基準電流值與磨削過程中的電流值進行比較，來控制X軸的進刀量。其中X軸進退刀的上下限電流值和進退刀的間隔時間可根據精度要求進行設置。主程序通過M50和M51控制恒電流功能的開啟和關閉。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為是影響磨削表面質量的主要因素之一。普遍認為顫振是由再生效應引起的一種自激振動。根據再生效應機理的加工方法，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。

實現方法：變速磨削的方法主要有兩種，一是通過對零件長度的劃分，以長度為單位對轉速進行設置；二是通過對時間長度的劃分，以時間為單位對轉速進行設置。本次設計采用的是對時間長度的劃分方法。通過PLC中的時間繼電器，對轉速進行重新定義。根據現場需要，只進行兩次砂輪主軸轉速的變速，主程序通過M60和M61來分別控制變速磨削的啟動和停止。圖9和圖10表示的是粗磨變速加工主程序：

4 結語

研制高精密數控外圓磨床采用高性能復合材料床身和“靜壓+負壓”導軌提高機床剛性和穩定性，論文著重對機床控制系統研發工作進行論述，系統采用“PLC+人機界面”數控構架實現對數控外圓磨床的自動化控制。根據高精密數控外圓磨削加工工藝，自行設計開發了控制系統人機界面和控制軟件，系統軟、硬件均具有良好的開放性，研發的系統在樣機上的運用，通過試驗，實現了預期功能。其中，人機界面簡潔直觀，參數化操作，簡單易懂，在外圓磨床行業具有廣泛的應用前景。同時，系統采用高性能PLC，大幅提高數據處理速度，使系統具有良好的高效、高精性能，可滿足高檔數控外圓磨床的對高性能數控系統的要求。

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