羅明珠

摘 要：針對外圓磨床實現(xiàn)高效、高精密磨削加工的要求，采用PLC及人機界面實現(xiàn)數(shù)控外圓磨床的系統(tǒng)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(shù)和設置電流磨削控制參數(shù)，實現(xiàn)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(tǒng)軟、硬件構(gòu)成及控制功能的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：外圓磨床；控制系統(tǒng)；設計

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，廣泛應用于機械制造、鋼鐵、汽車、工程機械等行業(yè)，市場需求量大。近年來，我國精密機床發(fā)展取得較大進步，機床的精度質(zhì)量也已達到相當?shù)乃剑楷F(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、智能化設備與國外相比仍然有較大的差距。為適應現(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（特別是細長軸）的磨削加工工藝，提出實現(xiàn)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(fā)了基于寶元數(shù)控“PLC+人機界面”的高精密外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效率、高精度、操作自動化高的要求。

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，成型砂輪在機床坐標系下沿X軸和Z軸運動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行輪廓修整，使之變得鋒利和恢復到所希望的形狀。顯然，對砂輪進行定型或修整之后，必須調(diào)整工件坐標原點和砂輪原點，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系Z軸。但是，由于工件頂尖孔的大小的影響，每次安裝一個待加工的工件，工件坐標原點會沿Z軸方向發(fā)生偏移。因此，每安裝一個工件都需要對工件坐標原點的Z坐標值進行重新設定。

端面量儀就是用來對工件坐標原點的Z坐標值進行重新設定的。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，移動砂輪架，令端面量儀測頭沿Z方向逼近并輕觸工件的某個端面，即可對工件坐標原點的Z坐標值進行重新設定。徑向量儀測頭用來對工件直徑進行在線測量，以確保加工精度。

（二）外圓磨床的基本動作

外圓磨床的運行動作主要包括以下3個部分：

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

第二，砂輪定型，即金剛筆按照指定的軌跡運動，對一個新砂輪進行修磨，使這個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)的硬件設計

（一）控制系統(tǒng)的功能分析

控制系統(tǒng)要完成X、Z軸的伺服進給和砂輪主軸、頭架主軸的旋轉(zhuǎn)運動，還要實現(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(tài)干預）功能；

（7）加減速進退刀；

（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(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)；頭架主軸C軸帶動回轉(zhuǎn)型零件旋轉(zhuǎn)；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(tǒng)中，這些運動均由PLC來實現(xiàn)[3]。

1.控制系統(tǒng)的硬件組成

根據(jù)設備的工藝要求，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(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(zhí)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(tǒng)會自動調(diào)出與人機界面輸入指令地址相對應PLC程序，PLC通過執(zhí)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(shù)控外圓磨床工作狀態(tài)的信息送回人機界面，用戶可以通過在人機界面上調(diào)整參數(shù)值來實時調(diào)整機床的工作狀態(tài)。而當機床一旦發(fā)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(shù)來實現(xiàn)機床的自我診斷。

三、結(jié)語

研制高精密數(shù)控外圓磨床采用高性能復合材料床身和“靜壓+負壓”導軌提高機床剛性和穩(wěn)定性，根據(jù)高精密數(shù)控外圓磨削加工工藝，自行設計開發(fā)了控制系統(tǒng)人機界面和控制軟件，系統(tǒng)軟、硬件均具有良好的開放性，研發(fā)的系統(tǒng)在樣機上的運用，通過試驗，實現(xiàn)了預期功能。其中，人機界面簡潔直觀，參數(shù)化操作，簡單易懂，在外圓磨床行業(yè)具有廣泛的應用前景。同時，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

[1]徐公志，胡苗，田勇強，馮燕明，翟淑珍.數(shù)控壓縮機曲軸偏心外圓磨床的設計與研究[J].精密制造與自動化，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驗研究[J].測控技術(shù)，2015，34（04）：5-8.