肖劍

根據(jù)內(nèi)圓磨床的機械結(jié)構(gòu)及高等級軸承內(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)計方案?？刂葡到y(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，以實現(xiàn)編程輸入、人機交互、自動化加工的控制方式，擴大加工能力，減少故障，提高效率，利用該方案控制的磨床實現(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，用戶對機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、功能強弱則直接影響到數(shù)控機床的加工精度，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，運動控制技術(shù)得到了的高速發(fā)展，運動參數(shù)如運動速度、位移距離都可以使用脈沖進行控制，而PLC輸入、讀出、修改程序非常方便，因此，PLC在運動控制領(lǐng)域得到了迅速推廣和快速發(fā)展。當控制系統(tǒng)不太復(fù)雜，功能要求也不太繁多，用PLC進行運動控制可以代替成本較高的數(shù)控系統(tǒng)。本文通過研究開發(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)計思路與方法。

1 磨床控制動作

磨床的控制動作由主運動和輔助運動兩種方式組成。磨削時主運動包括磨頭高速旋轉(zhuǎn)運動、工件旋轉(zhuǎn)運動，輔助運動包括工件軸徑向進給運動、磨頭軸向往復(fù)運動、金剛筆修整運動等。磨頭旋轉(zhuǎn)方向判定條件：當人站在磨床操作面板的右邊，向工件方向看，磨頭旋轉(zhuǎn)是順時針還是逆時針；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度窄，因此為了能夠磨削全長，磨頭在磨削過程中需要往復(fù)運行。圖1為機床主運動示意圖。

2 總體方案

從機床控制功能分析，機床的大部分控制為具有聯(lián)鎖功能的開關(guān)量控制，只有磨頭軸向進給運動控制和工件徑向進給運動控制為脈沖控制，因此采用PLC輸入輸出模塊、定位模塊及相配套的伺服電機和伺服驅(qū)動器，實現(xiàn)半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)?？紤]磨頭修整量會因磨頭的新舊程度及磨削狀況而隨時調(diào)整，操作人員需很方便地選擇機床的工作方式并能實時修改磨削參數(shù)，且能顯示各種工作信息，因此采用觸摸屏作為人機交流界面?？紤]機械傳動中的間隙問題，采用伺服電機通過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠副連接，使旋轉(zhuǎn)運動直接轉(zhuǎn)換為工作臺直線運動。

根據(jù)以上功能要求，確定采用三菱Q系列PLC及伺服運動系統(tǒng)控制磨床運動的設(shè)計方案，如圖2所示。

3 伺服系統(tǒng)的選型

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

（1）根據(jù)機床進給軸設(shè)計的最快進給速度，經(jīng)過計算確定交流伺服電動機額定轉(zhuǎn)速。

（2）選擇合理的負載慣量比。若負載慣量比過小，電機過載能力差、啟動力矩小，且伺服參數(shù)因為控制狀態(tài)不穩(wěn)定，調(diào)整起來很困難。

（3）連續(xù)特性（工作狀態(tài)載荷扭矩）。為避免伺服電機頻繁啟動、制動造成過熱現(xiàn)象，必須檢測計算到它在一個運行周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩的平均值，該值要小于電機額定轉(zhuǎn)矩。

在選擇的過程中，依次計算三要素來確定電機型號，如三要素中任意一個要素不滿足條件，則采取更換電機型號或提高電機容量等措施。

3.1 伺服電機的負載慣量的計算

伺服電機主要根據(jù)編碼器分辨率高低、電機慣量的大小和電機額定轉(zhuǎn)速快慢來進行區(qū)分，負載慣量分為旋轉(zhuǎn)負載和直線移動負載，伺服電機應(yīng)具有合適的負載慣量倍率。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是配合系統(tǒng)的硬件設(shè)置，來滿足機床的各種控制要求。并利用PLC編程軟件編制程序的靈活多變性，來提高機床的控制功能。

用戶根據(jù)加工工藝要求，通過操作觸摸屏進入主菜單界面，選擇某種工作方式。主程序在執(zhí)行過程中，則會調(diào)用相應(yīng)的順序功能圖程序塊，該控制系統(tǒng)包括五個順序功能圖程序塊，分別為：手動磨架循環(huán)程序塊、手動進給程序塊、砂輪連續(xù)修整程序塊、自動運行程序塊、緊急復(fù)位程序塊，如圖4-1所示。

5 結(jié)論與展望

本課題對如何使用PLC控制內(nèi)圓磨床伺服運動系統(tǒng)進行了研究，通過方案選取、系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)整定、系統(tǒng)調(diào)試及磨削試驗，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，完成硬件電氣部分的設(shè)計；

（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)動器的信號特征、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開發(fā)的控制系統(tǒng)擁有的參數(shù)開放化，部件模塊化等優(yōu)點，完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計及優(yōu)化；

（6）熟悉了高精度磨床的動作過程，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)的整合問題；

（8）設(shè)計并調(diào)試了系統(tǒng)控制程序。

通過解決關(guān)鍵技術(shù)難點，實現(xiàn)了以下目標：

（1）完成了高精度磨床預(yù)定的動作要求，實現(xiàn)了機床X、Y軸的半閉環(huán)控制；

（2）完成了觸摸屏畫面，實現(xiàn)了互動友好的人機對話功能；

（3）脈沖當量達到 0.1um/脈沖，重復(fù)定位精度滿足了設(shè)計要求。

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作者單位

江蘇省揚州技師學院 江蘇省揚州市 225003endprint