基于HMI的數(shù)控精密內(nèi)錐面磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳劍峰

(1.河南工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450001;2.鄭州第二機(jī)床廠，河南 鄭州 450007)

0 引言

小閥座加工后圖紙見圖1，圖中所示59?錐面為待加工面，加工后圓度要求在1μm以內(nèi)，粗糙度Ra在0.2μm以內(nèi)，對外圓跳動在50μm以內(nèi)，所以磨削加工成為首選加工方案。由于工件加工精度要求較高，磨床工件軸采用了動靜壓主軸;工件夾具采用薄壁套類零件專用薄膜夾具［1];砂輪軸采用需油霧潤滑的軸承支撐結(jié)構(gòu)高速電主軸;X、Z向工作臺采用十字交叉滾柱導(dǎo)軌和高精度滾珠絲杠螺母付傳動;Z向滑臺上裝有往復(fù)偏心機(jī)構(gòu)和小滑板;偏心機(jī)構(gòu)和小滑板通過油缸相連;磨削工藝采用單顆粒金剛石修整，砂輪往復(fù)磨削，Z軸進(jìn)給模式;控制系統(tǒng)采用“HMI+PLC+AC SERVO”模式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，與選用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)相比，節(jié)約了大量成本。

圖1 小閥座圖紙

1 機(jī)床電路設(shè)計(jì)

數(shù)控內(nèi)錐面磨床電控線路由主電路、控制電路、PLC輸入輸出接口電路、伺服電路等部分組成。主電路電源為380V/50Hz三相交流電，包括液壓、工件主軸、靜壓、磁分離器、工件冷卻、電主軸冷卻、吸油霧等七臺交流電動機(jī)，一臺往復(fù)直流電機(jī)和一臺高速電主軸。其中高速電主軸由變頻器驅(qū)動，變頻器與PLC通過RS485接口相連接。選用臺達(dá)DOPA10THTD人機(jī)界面和DVP-40EH00T2可編程序控制器，人機(jī)界面與PLC通過RS232接口相連。由于人機(jī)界面內(nèi)置了與PLC的通訊程序，只需要在人機(jī)界面編程軟件包中正確選擇PLC型號，將編制好的控制畫面數(shù)據(jù)下載到人機(jī)界面，通過RS232電纜連接人機(jī)界面與PLC，即可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面和PLC的自主通訊，從而使控制系統(tǒng)軟件編制工作量大為減輕。

1.1 主電路各電動機(jī)功能

機(jī)床配有專門的液壓油箱、靜壓油箱、工件冷卻油箱和電主軸冷卻水箱。由于液壓油、靜壓油、工件冷卻油各不相同，各油箱、水箱管路必須獨(dú)立，避免油油、油水混合。液壓電動機(jī)起動后，能提供1.0～1.2MPa的壓力給修整器和小滑板使用，用于抬起、倒下修整器，驅(qū)動小滑板前進(jìn)、后退;能提供0.5～1.2MPa的可調(diào)壓力給裝配在靜壓主軸上的工件薄膜夾具使用，用于松開、鎖緊夾具，裝卸工件。靜壓油箱配備蓄能器、3級油過濾裝置和壓力、壓差傳感器，機(jī)床起動后，能提供2.0MPa的干凈、穩(wěn)定壓力給動靜壓工件主軸使用;使用中的靜壓工件主軸電機(jī)如果意外斷電，蓄能器可以維持住靜壓油箱出口壓力直到主軸停止轉(zhuǎn)動。由于靜壓油升溫較快，靜壓油箱必須配備專用的油冷卻機(jī)，把靜壓油溫控制在35℃左右。吸油霧電機(jī)用于清潔機(jī)床全封閉罩殼內(nèi)由于冷卻高速電主軸前后端軸承等而產(chǎn)生的油霧，避免污染罩內(nèi)環(huán)境;磁分離器電機(jī)用于帶動磁性滾筒，吸附并去除大部分磨削產(chǎn)生的鐵屑;電主軸冷卻電機(jī)用于冷卻電主軸的三相繞組;工件冷卻電機(jī)用于磨削加工時打入冷卻煤油，冷卻工件;工件主軸電機(jī)與靜壓主軸通過同步帶、輪相連接，驅(qū)動工件主軸旋轉(zhuǎn)。

1.2 靜壓工件主軸控制［2]

工件主軸通過一臺0.75KW/1440RPM電動機(jī)驅(qū)動，采用星形接法。由于電動機(jī)在工作時需頻繁啟動，配備了專用熱繼電器對工件主軸電動機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)，整定電流為2A，過載信號引入PLC輸入點(diǎn)。另外工件主軸啟動還必須同時具備兩個條件，一是靜壓油過濾后的壓力不低于2.0MPa，二是靜壓油過濾前、后的壓力差不大于0.25MPa。這兩個信號通過安裝在靜壓油箱上的壓力與壓差傳感器檢測，兩個信號串聯(lián)后引入PLC輸入點(diǎn)。電動機(jī)的啟動、停止由交流接觸控制，接觸器線圈與PLC輸出接口直流繼電器常開觸點(diǎn)串聯(lián)后接入～24V控制電源。直流繼電器由PLC輸出點(diǎn)控制，其線圈與PLC輸出點(diǎn)連接后接入-24V電源。

1.3 砂輪主軸控制

砂輪主軸采用了洛陽軸研科技股份有限公司生產(chǎn)100MD60Y4磨削用電主軸，該型電主軸需配備冷卻水箱和油霧潤滑裝置，潤滑裝置需配備氣壓和液位檢測傳感器，防止氣壓偏低或缺油導(dǎo)致電主軸損壞。電主軸S1功率為2.5KW，電壓350V，頻率 1000Hz，轉(zhuǎn)速達(dá)到 60000RPM。采用臺達(dá)VFD037V43B變頻器驅(qū)動砂輪主軸，解鎖后的變頻器最高輸出頻率達(dá)3000Hz，支持轉(zhuǎn)速達(dá)到120000RPM的電主軸。變頻器配備RS485通訊接口，支持MODBUS通訊協(xié)議。由于臺達(dá)EH2系列PLC內(nèi)置了MODBUS便利指令，將PLC的RS485接口與變頻器的RS485接口相連后，可以非常方便的采用通訊方式調(diào)整電主軸的轉(zhuǎn)速，控制電主軸的啟動、停止。變頻器的工作參數(shù)通過人機(jī)界面寫入PLC內(nèi)部寄存器保存，通過人機(jī)界面上設(shè)計(jì)的觸摸鍵控制電主軸的啟動、停止，在人機(jī)界面上可以實(shí)時顯示電主軸的電壓、電流、工作頻率等參數(shù)。

2 控制畫面設(shè)計(jì)

控制畫面需在人機(jī)界面軟件包中開發(fā)完成。首先要在人機(jī)界面軟件包中設(shè)定好模塊參數(shù)，模塊參數(shù)設(shè)置包括一般、通訊、默認(rèn)值等幾個菜單，在這幾個菜單下需設(shè)定好人機(jī)界面和PLC型號、站號，端口號、通訊參數(shù)、系統(tǒng)控制區(qū)地址、默認(rèn)啟動畫面等參數(shù)。經(jīng)編譯后的控制畫面數(shù)據(jù)需用數(shù)據(jù)線下載到人機(jī)界面，然后通過專用的通訊線將人機(jī)界面和PLC連接，通電后人機(jī)界面和PLC即可實(shí)現(xiàn)自主通訊。

圖2 機(jī)床主菜單畫面

根據(jù)內(nèi)錐面磨床的磨削工藝要求，共設(shè)計(jì)完成了7個控制畫面，這些控制畫面根據(jù)PLC內(nèi)的畫面參數(shù)寄存器D0的數(shù)據(jù)變化自動切換畫面。七個控制畫面如下：①機(jī)床LOGO;②主菜單;③調(diào)整狀態(tài);④砂輪長修;⑤半自動參數(shù)設(shè)置;⑥半自動狀態(tài);⑦特殊參數(shù)設(shè)置。畫面①在模塊參數(shù)設(shè)置中設(shè)定為人機(jī)界面的默認(rèn)啟動畫面。機(jī)床上電，人機(jī)界面開始自檢，完成后顯示機(jī)床型號、機(jī)床名稱、制造商、聯(lián)系電話等信息，無其它控制功能。機(jī)床液壓啟動后，根據(jù)畫面參數(shù)寄存器D0的數(shù)據(jù)變化，人機(jī)界面自動切換到畫面②(見圖2)。在畫面②上設(shè)計(jì)了調(diào)整狀態(tài)、砂輪長修、半自動狀態(tài)、半自動參數(shù)設(shè)置、特殊參數(shù)設(shè)置五個觸摸鍵，觸摸相應(yīng)按鍵即可自動進(jìn)入畫面③至畫面⑦。

2.1 調(diào)整狀態(tài)界面(見圖3)

畫面總體分為三個部分：狀態(tài)與機(jī)床坐標(biāo)顯示區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)、控制功能區(qū)。狀態(tài)與機(jī)床坐標(biāo)顯示區(qū)用于顯示PLC外部輸入、輸出點(diǎn)的狀態(tài)，顯示機(jī)床X、Z軸坐標(biāo)以及變頻器的工作頻率等。參數(shù)設(shè)置區(qū)用于設(shè)置機(jī)床X、Z軸寸動速度，增量速度和增量值等?？刂乒δ軈^(qū)用于發(fā)出各種指令控制機(jī)床各部件的動作，是PLC程序設(shè)計(jì)的核心。該功能區(qū)的觸摸鍵被人為觸發(fā)后，PLC立即接受到該指令并檢查該指令是否滿足執(zhí)行條件，若滿足則發(fā)出定位脈沖串經(jīng)伺服系統(tǒng)處理后由伺服電機(jī)驅(qū)動工作臺運(yùn)動到指定位置，或者由PLC輸出點(diǎn)驅(qū)動接觸器、繼電器、電磁閥等完成對電動機(jī)、修整器、卡盤、小滑板、砂輪往復(fù)等的控制。如果指令不滿足執(zhí)行條件，則觸摸后機(jī)床無動作反應(yīng)。控制功能區(qū)還設(shè)計(jì)有一個“X軸解鎖”按鍵，用于解除對X軸的鎖定，防止誤操作的發(fā)生。由于磨削內(nèi)錐面時，只需要Z軸運(yùn)動進(jìn)給，安裝在其上的往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動砂輪軸往復(fù)磨削即可，X軸不需要參入磨削，所以X軸平時處于鎖定狀態(tài)而不能通過觸摸鍵使其運(yùn)動。當(dāng)薄膜夾具上的卡爪因磨損或者更換等原因需要重新自磨時，需要在電主軸上更換砂輪并解除對X軸的鎖定，待卡爪自磨完成后需重新鎖定X軸。

圖3 機(jī)床調(diào)整狀態(tài)畫面

2.2 砂輪長期修整界面(見圖4)

在更換新砂輪或者砂輪損壞時使用，控制畫面上需要設(shè)置好砂輪長修位置、修整量、修整進(jìn)給速度三個參數(shù)，PLC控制程序功能如下：開啟氣源，當(dāng)變頻器啟動條件滿足后先啟動電主軸，等電主軸到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后長修條件即自動滿足，此時可以按循環(huán)啟動按鈕開始長修砂輪。Z軸先快速運(yùn)動到設(shè)定好的砂輪長修位置，到達(dá)后修整器立即倒下。PLC檢測到修整器倒下信號，立即調(diào)用砂輪修整補(bǔ)償子程序，按照設(shè)定好的修整量和修整進(jìn)給速度驅(qū)動Z軸運(yùn)動，補(bǔ)償完成后控制往復(fù)油缸的電磁閥立即帶電，驅(qū)動小滑板向后運(yùn)動，到達(dá)后位后電磁閥自動斷電，小滑板緊接著向前伸出，到達(dá)前位后完成一次修整循環(huán)。然后又調(diào)用修整補(bǔ)償子程序，重復(fù)上面的過程直到修整結(jié)束位置到或者人為中斷而退出砂輪長修循環(huán)。

圖4 機(jī)床砂輪長修畫面

2.3 磨削工藝參數(shù)設(shè)置界面(見圖5)

在設(shè)計(jì)時系統(tǒng)脈沖當(dāng)量被定為0.25?m。由于PLC只能記憶發(fā)出的脈沖數(shù)量和方向，為了在人機(jī)界面上準(zhǔn)確顯示機(jī)床坐標(biāo)值，本頁的尺寸設(shè)置需要用到人機(jī)界面的宏功能。以Z軸快進(jìn)位置為例，180mm輸入后，梯形圖中使用定位指令后PLC會發(fā)出180000個脈沖，但工作臺實(shí)際只運(yùn)動了180000*0.25=45mm。所以對于本頁的尺寸參數(shù)，輸入后需要用畫面circle宏放大4倍，然后傳送到PLC的內(nèi)部寄存器中批量保存。還需要將PLC的CH1通道脈沖現(xiàn)在值寄存器D1338中的數(shù)據(jù)縮小4倍顯示成機(jī)床坐標(biāo)值。畫面上的的“正轉(zhuǎn)”按鈕觸摸后自動變成“反轉(zhuǎn)”，方便更換電主軸后調(diào)整砂輪旋轉(zhuǎn)的方向，但設(shè)有密碼，防止誤操作。

圖5 機(jī)床半自動參數(shù)設(shè)置畫面

2.4 半自動磨削狀態(tài)界面

圖6是半自動磨削時狀態(tài)顯示畫面，此畫面只設(shè)有電主軸啟動和停止兩個觸摸鍵。將半自動參數(shù)設(shè)定好后，回主菜單，按“半自動狀態(tài)”觸摸鍵即可進(jìn)入該畫面對工件進(jìn)行半自動加工。PLC控制功能如下：半自動條件滿足后，按循環(huán)啟動按鈕，Z軸快速運(yùn)動到磨削(快進(jìn))位置，開工件主軸、冷卻液和往復(fù)電機(jī)，然后Z軸按照設(shè)定好的粗磨Ⅰ至Ⅵ段尺寸及速度進(jìn)給對工件進(jìn)行粗磨，結(jié)束后延時2秒鐘，關(guān)冷卻液和往復(fù)電機(jī)，然后Z軸退出磨削位置反向運(yùn)動到Z軸推出(砂輪修整)位置。到達(dá)后修整器立即倒下，然后按照設(shè)定好的修整量及修整次數(shù)修整砂輪，完成后修整器自動抬起，Z軸重新回到磨削位置，開冷卻液、往復(fù)，精磨工件，完成后再次延時3秒鐘，然后Z軸快速退出，在退出同時關(guān)工件主軸、冷卻液和往復(fù)，回零位后結(jié)束一個半自動循環(huán)。由于在一個半自動循環(huán)中需要對砂輪進(jìn)行多次修整，砂輪會變短，需要在PLC程序中加入自動補(bǔ)償功能，第一處補(bǔ)償加在Z軸快進(jìn)(磨削)位置，第二處補(bǔ)償加在砂輪修整后的返回位置，第三處補(bǔ)償加在Z軸推出位置。

圖6 半自動磨削畫面

2.5 特殊參數(shù)設(shè)置界面

此界面用于設(shè)置一些限制參數(shù)，需要密碼才能進(jìn)入。包括X、Z軸極限位置，軟件超程位置，工作臺最低、最高運(yùn)行速度，原點(diǎn)回歸速度，密碼表，總磨削件數(shù)顯示等。

3 結(jié)束語

在數(shù)控精密內(nèi)錐面磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由人機(jī)界面、PLC、變頻器和交流伺服驅(qū)動等組成的非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制畫面設(shè)計(jì)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)床經(jīng)重汽集團(tuán)重慶燃油噴射系統(tǒng)有限公司等單位使用后，工件磨削后的精度指標(biāo)均達(dá)到或超過圖紙要求。

［1]沙杰，曹志中.薄壁套類零件精密磨削夾具［J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2009(9)：92-93

［2]吳劍峰，沙杰等.M224型半自動內(nèi)圓磨床數(shù)控化改造技術(shù)［J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010(5)：56-59

［3]吳劍峰，沙杰.基于人機(jī)界面的高精度數(shù)控內(nèi)圓磨床伺服系統(tǒng)構(gòu)成與控制［J].機(jī)電工程技術(shù)，2009(10)：50-51，74