翁盛槟　黄艺鸿　聂晓根

【摘 要】针对外圆磨床实现高效、高精密磨削加工的要求，采用PLC及人机界面实现数控外圆磨床的系统控制。通过设计磨削工艺流程、人机界面输入磨削零件各加工工艺参数和设置电流磨削控制参数，实现砂轮自动切入、自适应磨削加工和自动切出等功能，达到高效高精密磨削要求。主要阐述系统软、硬件构成及控制功能的实现。

【关键词】外圆磨床；自适应磨削；PLC数控；人机界面

中图分类号： TH164 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0059-004

Research of high-precision CNC System for Cylindrical Grinder Based on PLC

WENG Sheng-bin1 HUANG Yi-hong2 NIE Xiao-gen2

（College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China）

【Abstract】According to the high efficiency and high processing requirements of cylindrical grinder， This paper presents the way of using PLC and HMI to realize the grinding machine's control. By using the technologies of NC parameter setting and current grinding，automatic cutting、grinding and self-adaption function specially designed for grinder are developed .The implementation ways of hardware structure、software and some functions are introduced.

【Key words】Cylindrical Grinder；Self-adaption grinding；PLC；HMI

外圆磨床是轴类、盘类零部件获得高精度和良好表面粗糙度的关键数控装备，广泛应用于机械制造、钢铁、汽车、工程机械等行业，市场需求量大。近年来，我国精密机床发展取得较大进步，机床的精度质量也已达到相当的水平，涌现出一批具有较高技术水平的中高档磨床。但是在高精、高效、智能化设备与国外相比仍然有较大的差距。为适应现代制造业对高精、高效、智能化的需求，以减轻磨削加工对操作者的技能要求，提高磨削效率和磨削精度。为此，针对高精密轴类、盘类零部件（特别是细长轴）的磨削加工工艺，提出实现自动切入、自动磨削加工，自适应磨削控制功能（主要适应工件的轮廓和砂轮的脱落），设计开发了基于宝元数控“PLC+人机界面”的高精密外圆磨床数控系统，实现了高效率、高精度、操作自动化高的要求。

1 数控外圆磨床结构及主要技术指标

数控外圆磨床由床身、砂轮架、工作台、头架、尾架等部分组成，床身采用整体式结构，总体布局如图1所示。机床床身采用高性能矿物复合材料，采用预先精加工导轨、轴承座等连接件，将连接件和管道通道在模型中定好位，以预埋的形式与树脂混泥土浇铸在一起，以提高机床的连接刚度，机床具有较好的抗振性及热稳定性。X进给轴采用“静压+负压”导轨，利用负压吸浮式平面在工作表面上不同区域同时存在正压和负压的特点，使运动滑块和承载导轨之间形成厚度稳定的微米级油膜，提高油膜厚度的稳定性、刚性，从而提高机床的运动精度和精度保持性。在滚珠丝杠机构+联轴节+伺服电机的驱动方式下，选择C1级高精度滚珠丝杠和高分辨率光栅尺，保证高精度的伺服控制。

1.Z轴电机 2.主轴电机 3.修整器 4.头架 5.工件 6.砂轮 7.砂轮架 8.X轴电机 9.砂轮电机10.床身 11.尾座 12.B轴电机 13.下工作台 14.上工作台 15.定位心轴 16.丝杆17.丝杆螺母

根据应用要求，制定了表1所示的机床主要技术指标。

要求磨削轴类零件的外圆圆度误差小于1μm、圆柱度小于10μm/1000mm、表面粗糙度達Ra0.1。

2 控制系统的硬件设计

2.1 控制系统的功能分析

控制系统要完成X、Z轴的伺服进给和砂轮主轴、头架主轴的旋转运动，还要实现液压、气路、冷却等辅助系统的控制，也即一般数控机床普遍具备的通用功能。除此以外，还必须具备磨削加工的特有功能。包括有：

（1）电流法自动对刀；

（2）恒电流磨削（自适应磨削控制功能）；

（3）多段变速磨削；

（4）断电回退和紧急回退；

（5）砂轮自动修整及补偿；

（6）手轮DRF（动态干预）功能；

（7）加减速进退刀；

（8）中途换向。

2.2 控制系统的技术方案

该高精密数控外圆磨床，配置2个伺服轴： 纵向Z 轴、横向X 轴。加工时砂轮固定在砂轮架上，以设定的转速高速旋转；头架主轴C轴带动回转型零件旋转；Z轴带动工作台和工件作Z向往复移动；X轴带动砂轮架向零件轴向方向做横向的磨削进给运动。在该系统中，这些运动均由PLC来实现。

（1）控制系统的硬件组成

根据设备的工艺要求，本控制系统的PLC选用了宝元数控L600PLC——其内部集成了14路输入接口和10路输出接口。2路模拟输入点和l路模拟输出点，2个高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，其高速计数器可以采集100 kHz的脉冲，输出脉冲也可以达到100 kHz。

（2）控制系统的工作原理

图2为系统的工作原理图，PLC与人机界面构成的控制系统主要由可编程逻辑控制器模块、进给伺服控制模块、主轴伺服控制模块、输入、输出及通信模块等组成。当要执行机床操作时，首先启动主轴箱油泵，待操作者通过人机界面输入指令后，系统会自动调出与人机界面输入指令地址相对应的PLC程序，PLC通过执行梯形图程序来控制其触点，从而达到对接触器、伺服电动机、电磁继电器以及机床各个部件控制的目的。同时，PLC还会把光栅尺传感器、伺服电动机编码器、限位信号等一系列反映数控外圆磨床工作状态的信息送回人机界面，用户可以通过在人机界面上调整参数值来实时调整机床的工作状态。而当机床一旦发生故障，PLC还会将传感器与编码器等反馈的信息进行比较来判断其故障原因，并显示一些重要的参数来实现机床的自我诊断。

3 控制系统的软件设计

3.1 控制面板的界面设计

本系统采用宝元L600PLC配套的编程工具LNC_QUI_Designer进行系统参数设置、PLC程序的编制、测试、调试和文档的处理。编程软件主要用梯形图编写，程序编译正确后通过FileZilla软件传输到PLC。

根据高精密外圆磨床控制系统的功能要求和数控外圆磨削的工艺（粗磨-半精磨-精磨-抛光），设计开发高精密外圆磨床控制系统系统软件，为提高磨削效率和磨削精度，充分降低操作者的劳动程度，减轻磨削加工对操作者的技能要求，数控系统设计有磨削参数设定、变速磨削、加减速进退刀、恒电流控制、中途换向、自动对刀等功能。数控系统主界面见图3所示。

3.2 主要功能模块的实现

（1）恒电流功能

在外圆磨削加工时，许多零件既有外形尺寸要求，也有表面质量要求。在数控外圆磨床上，回转型零件的外形可以用数控编程控制砂轮的磨削路径来实现，但要达到表面质量要求则较为复杂。因为设计的外圆磨床为高精密外圆磨床，对表面质量要求严格，不仅要求无振痕、无磨削条纹、较高的粗糙度，还要求整个回转型零件表面质量一致性好——即整个回转型零件的粗糙度必须在很小的范围内波动。为达到较好的表面质量，根据早期的磨削工艺，在本次高精密外圆磨床数控控制系统中加入恒电流磨削功能。恒电流功能界面如图4所示：（注：电流法自动对刀功能与恒电流功能的实现方法一致，都是通过硬件获取砂轮电机的电流值来判断控制砂轮架的进给和循环动作，不作另外赘述。）

恒电流磨削是指在磨削过程中，通过砂轮电机电流值的大小控制进给轴的进刀量。当砂轮电机实时电流高于电流设定值一定范围时，X轴（进给轴）正向旋转，向正方向移动，砂轮架后退，减少进刀量，从而减小砂轮的磨削力。由于磨削力的减小，实时电流将减小。当实时电流低于电流设定值一定范围时，X轴（进给轴）反向旋转，向负方向移动，砂轮架前进，增大进刀量，从而加大砂轮的磨削力。如此循环，用砂轮电机电流的大小来控制砂轮的进退，使得在整个回转型零件的磨削过程中，电流恒定在某设定值的一定范围内，使得砂轮的磨削力基本控制在一定范围内，从而把零件表面的粗糙度控制在很小范围内波动。

实现方法：通过ADAM-6017模拟量输入模块从电源变频器中读取砂轮电机的电流值，并通过模数转换存储到PLC的内部存储器，从而获得基准电流值。根据基准电流值与磨削过程中的电流值进行比较，来控制X轴的进刀量。其中X轴进退刀的上下限电流值和进退刀的间隔时间可根据精度要求进行设置。主程序通过M50和M51控制恒电流功能的开启和关闭。PLC程序控制如图6、7所示：

（2）变速磨削功能

高速磨削过程的颤振一直被认为是影响磨削表面質量的主要因素之一。普遍认为颤振是由再生效应引起的一种自激振动。根据再生效应机理的加工方法，可通过变速磨削一定程度抑制高速颤振。变速磨削控制界面如图8所示。

实现方法：变速磨削的方法主要有两种，一是通过对零件长度的划分，以长度为单位对转速进行设置；二是通过对时间长度的划分，以时间为单位对转速进行设置。本次设计采用的是对时间长度的划分方法。通过PLC中的时间继电器，对转速进行重新定义。根据现场需要，只进行两次砂轮主轴转速的变速，主程序通过M60和M61来分别控制变速磨削的启动和停止。图9和图10表示的是粗磨变速加工主程序：

4 结语

研制高精密数控外圆磨床采用高性能复合材料床身和“静压+负压”导轨提高机床刚性和稳定性，论文着重对机床控制系统研发工作进行论述，系统采用“PLC+人机界面”数控构架实现对数控外圆磨床的自动化控制。根据高精密数控外圆磨削加工工艺，自行设计开发了控制系统人机界面和控制软件，系统软、硬件均具有良好的开放性，研发的系统在样机上的运用，通过试验，实现了预期功能。其中，人机界面简洁直观，参数化操作，简单易懂，在外圆磨床行业具有广泛的应用前景。同时，系统采用高性能PLC，大幅提高数据处理速度，使系统具有良好的高效、高精性能，可满足高档数控外圆磨床的对高性能数控系统的要求。

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