新型高精度磨床控制系統設計

文/肖劍

根據內圓磨床的機械結構及高等級軸承內徑的磨削要求，本文提出了新型高精度磨床控制系統設計方案�？刂葡到y采用可編程控制器(PLC)+定位模塊+手輪控制模塊+伺服系統+觸摸屏的控制方案，以實現編程輸入、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了與數控系統相同的控制效果。

【關鍵詞】高精度磨床 PLC 定位模塊 觸摸屏 控制系統

隨著制造業的快速發展，用戶對機床性能及加工工藝的要求不斷提高。高精度磨床正向數控化，柔性化，智能化的方向發展。而數控系統性能優劣、功能強弱則直接影響到數控機床的加工精度，高檔型數控設備以其優越的性能得到了廣泛地應用，但成本投入高。近年來，運動控制技術得到了的高速發展，運動參數如運動速度、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在運動控制領域得到了迅速推廣和快速發展。當控制系統不太復雜，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控系統。本文通過研究開發新型高精度磨床控制系統 , 提出了中小孔內圓磨床的設計思路與方法。 

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運動、工件旋轉運動，輔助運動包括工件軸徑向進給運動、磨頭軸向往復運動、金剛筆修整運動等。磨頭旋轉方向判定條件：當人站在磨床操作面板的右邊，向工件方向看，磨頭旋轉是順時針還是逆時針；磨頭旋轉正方向判斷原則：磨削火花向下；工件旋轉方向則應該與磨頭旋轉方向相反。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鎖功能的開關量控制，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動器，實現半閉環伺服控制系統�？紤]磨頭修整量會因磨頭的新舊程度及磨削狀況而隨時調整，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，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軸器直接與滾珠絲杠副連接，使旋轉運動直接轉換為工作臺直線運動。

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

3 伺服系統的選型

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

（1）根據機床進給軸設計的最快進給速度，經過計算確定交流伺服電動機額定轉速。

（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，且伺服參數因為控制狀態不穩定，調整起來很困難。

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

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

內圓磨床X 軸的主要規格如表1所示。 

X軸負載慣量可分為旋轉負載慣量和直線移動負載慣量來計算。直線移動負載慣量的計算如公式(1-l) 所示：Jt=W×                                （1-1）式中：W—運動部件質量/Kg；L—絲杠導程/ mm。把表3-3 中的數據代入公式(3-l) 中Jt=200× =1.82(Kg•cm2)旋轉負載慣量 JR 的計算方法如公式 (1-2)所示：Jt=    • D4                                （1-2）式中：l—絲杠長度/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 中數據代入公式(1-2) 中 JR= ×2.54=0.93(Kg•cm2)故X 軸負載慣量JL 為： JL=JT+JR=1.82+0.93=2.75(Kg•cm2)

根據上述所得數據，查閱三菱伺服驅動系統使用手冊，選用 HC-SFS152 型伺服電機，電機轉速 2000r/min，額定功率 1KW，額定電流 5.3A，額定轉矩 4.77N•m，最大扭矩 14.3N•m，靜態扭矩 8.5N•m，轉動慣量4.31Kg•cm2。

3.2 短時間特性計算

ta=                （1-3）式中：JM —電機慣量/ Kg•cm2TMAX—電機最大扭矩/ N•m從三菱伺服系統使用手冊里查找相關數據代入公式（1-3）中ta=  =52.3(ms)得到ta<100ms滿足條件。

3.3 連續特性計算

 連續實效負載扭矩 Trms 應為靜態扭矩 Tst的80%以下，即：Trms  ≤  80%×Tst                              （1-4）Trms  = TL ×                          （1-5）式中： CDmax—最大負載慣量比從三菱伺服系統使用手冊里查找相關數據代入公式（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 '，滿足條件。綜 上 所 述， 控 制 系 統 選 用 三 菱 HC-SFS152型伺服電機，滿足系統要求。

4 控制系統的軟件設計

控制系統的軟件設計是配合系統的硬件設置，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。主程序在執行過程中，則會調用相應的順序功能圖程序塊，該控制系統包括五個順序功能圖程序塊,分別為：手動磨架循環程序塊、手動進給程序塊、砂輪連續修整程序塊、自動運行程序塊、緊急復位程序塊，如圖4-1 所示。

5 結論與展望

本課題對如何使用 PLC 控制內圓磨床伺服運動系統進行了研究，通過方案選取、系統設計、參數整定、系統調試及磨削試驗，解決了以下關鍵技術：

（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、伺服系統等部件的型號，完成硬件電氣部分的設計；

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

（4）掌握了三菱 MR-J3-200B 型伺服驅動器的信號特征、參數設置及連接方法；

（5）合理規劃了 PLC 內部變量 , 充分利用基于 PLC 開發的控制系統擁有的參數開放化，部件模塊化等優點 , 完成了系統軟件的設計及優化；

（6）熟悉了高精度磨床的動作過程 , 優化加工工藝,提高了加工精度；

（7）解決了電氣系統、液壓系統、執行系統、控制系統的整合問題；

（8）設計并調試了系統控制程序。 通過解決關鍵技術難點，實現了以下目標：

（1）完成了高精度磨床預定的動作要求,實現了機床 X、Y軸的半閉環控制；（2）完成了觸摸屏畫面，實現了互動友好的人機對話功能；（3）脈沖當量達到 0.1um/ 脈沖 , 重復定

位精度滿足了設計要求。

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作者單位

江蘇省揚州技師學院　江蘇省揚州市　225003