新型高精度磨床控制系统设计

肖剑

根据内圆磨床的机械结构及高等级轴承内径的磨削要求，本文提出了新型高精度磨床控制系统设计方案。控制系统采用可编程控制器（PLC）+定位模块+手轮控制模块+伺服系统+触摸屏的控制方案，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，利用该方案控制的磨床实现了与数控系统相同的控制效果。

【关键词】高精度磨床 PLC 定位模块 触摸屏 控制系统

随着制造业的快速发展，用户对机床性能及加工工艺的要求不断提高。高精度磨床正向数控化，柔性化，智能化的方向发展。而数控系统性能优劣、功能强弱则直接影响到数控机床的加工精度，高档型数控设备以其优越的性能得到了广泛地应用，但成本投入高。近年来，运动控制技术得到了的高速发展，运动参数如运动速度、位移距离都可以使用脉冲进行控制，而PLC输入、读出、修改程序非常方便，因此，PLC在运动控制领域得到了迅速推广和快速发展。当控制系统不太复杂，功能要求也不太繁多，用PLC进行运动控制可以代替成本较高的数控系统。本文通过研究开发新型高精度磨床控制系统，提出了中小孔内圆磨床的设计思路与方法。

1 磨床控制动作

磨床的控制动作由主运动和辅助运动两种方式组成。磨削时主运动包括磨头高速旋转运动、工件旋转运动，辅助运动包括工件轴径向进给运动、磨头轴向往复运动、金刚笔修整运动等。磨头旋转方向判定条件：当人站在磨床操作面板的右边，向工件方向看，磨头旋转是顺时针还是逆时针；磨头旋转正方向判断原则：磨削火花向下；工件旋转方向则应该与磨头旋转方向相反。由于磨头宽度比待磨削表面长度窄，因此为了能够磨削全长，磨头在磨削过程中需要往复运行。图1为机床主运动示意图。

2 总体方案

从机床控制功能分析，机床的大部分控制为具有联锁功能的开关量控制，只有磨头轴向进给运动控制和工件径向进给运动控制为脉冲控制，因此采用PLC输入输出模块、定位模块及相配套的伺服电机和伺服驱动器，实现半闭环伺服控制系统。考虑磨头修整量会因磨头的新旧程度及磨削状况而随时调整，操作人员需很方便地选择机床的工作方式并能实时修改磨削参数，且能显示各种工作信息，因此采用触摸屏作为人机交流界面。考虑机械传动中的间隙问题，采用伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠副连接，使旋转运动直接转换为工作台直线运动。

根据以上功能要求，确定采用三菱Q系列PLC及伺服运动系统控制磨床运动的设计方案，如图2所示。

3 伺服系统的选型

伺服电机在确定了电机系列和额定转速后，一般根据以下三个要素确定伺服电机具体型号：

（1）根据机床进给轴设计的最快进给速度，经过计算确定交流伺服电动机额定转速。

（2）选择合理的负载惯量比。若负载惯量比过小，电机过载能力差、启动力矩小，且伺服参数因为控制状态不稳定，调整起来很困难。

（3）连续特性（工作状态载荷扭矩）。为避免伺服电机频繁启动、制动造成过热现象，必须检测计算到它在一个运行周期内电机转矩的平均值，该值要小于电机额定转矩。

在选择的过程中，依次计算三要素来确定电机型号，如三要素中任意一个要素不满足条件，则采取更换电机型号或提高电机容量等措施。

3.1 伺服电机的负载惯量的计算

伺服电机主要根据编码器分辨率高低、电机惯量的大小和电机额定转速快慢来进行区分，负载惯量分为旋转负载和直线移动负载，伺服电机应具有合适的负载惯量倍率。

4 控制系统的软件设计

控制系统的软件设计是配合系统的硬件设置，来满足机床的各种控制要求。并利用PLC编程软件编制程序的灵活多变性，来提高机床的控制功能。

用户根据加工工艺要求，通过操作触摸屏进入主菜单界面，选择某种工作方式。主程序在执行过程中，则会调用相应的顺序功能图程序块，该控制系统包括五个顺序功能图程序块，分别为：手动磨架循环程序块、手动进给程序块、砂轮连续修整程序块、自动运行程序块、紧急复位程序块，如图4-1所示。

5 结论与展望

本课题对如何使用PLC控制内圆磨床伺服运动系统进行了研究，通过方案选取、系统设计、参数整定、系统调试及磨削试验，解决了以下关键技术：

（1）研究分析了高精密磨床工作特点及磨削工艺要求；

（2）选定了PLC、定位模块、触摸屏、伺服系统等部件的型号，完成硬件电气部分的设计；

（3）掌握了Q系列PLC、D/A模块、定位模块的参数设置和编程方法；

（4）掌握了三菱MR-J3-200B型伺服驱动器的信号特征、参数设置及连接方法；

（5）合理规划了PLC内部变量，充分利用基于PLC开发的控制系统拥有的参数开放化，部件模块化等优点，完成了系统软件的设计及优化；

（6）熟悉了高精度磨床的动作过程，优化加工工艺，提高了加工精度；

（7）解决了电气系统、液压系统、执行系统、控制系统的整合问题；

（8）设计并调试了系统控制程序。

通过解决关键技术难点，实现了以下目标：

（1）完成了高精度磨床预定的动作要求，实现了机床X、Y轴的半闭环控制；

（2）完成了触摸屏画面，实现了互动友好的人机对话功能；

（3）脉冲当量达到 0.1um/脉冲，重复定位精度满足了设计要求。

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作者单位

江苏省扬州技师学院 江苏省扬州市 225003endprint