胡国清

(武汉华中自控技术发展有限公司，湖北武汉430077)

1 机床概述

RFrB80数控立式内外圆磨床是德国 HANS SIELEMANN公司在上世纪90年代初生产的，可磨削内圆、外圆、平面、孔底面等，工作台具有偏心调整数显，可手动调整偏心量磨削偏心内外圆。机床最大加工直径800 mm，工作台移动X轴行程1 000 mm，磨头垂直移动 Z1、Z2行程780 mm，立柱旋转Q轴行程200°，砂轮修整器安装在工作台上。

机床X、Z1、Z2轴传动均为伺服电动机驱动滚珠丝杠带动轴移动，Z1、Z2轴各带有2个平衡油缸，平衡油缸压力通过比例阀分流控制;工作台通过液压静压浮升，工作台旋转轴S1通过伺服电动机经减速箱和皮带驱动旋转，工作台上下层通过6块电磁铁控制是否夹紧，台面为电磁吸盘用于固定工件;立柱通过液压静压浮升，Q轴传动通过伺服电动机经谐波齿轮箱和齿圈驱动旋转;内外圆磨头传动均通过异步交流电动机通过皮带驱动磨头旋转，其中外圆磨头带有动平衡调整系统。机床外观如图1所示。

2 改造方案

在机床行业中，磨床因其精度高及机床动态特性好等要求使得改造的难度较大，多种磨床的关键技术仍是国内机床行业的难题。根据原机床的状态制定切实可行的改造方案是关键，经过拆前对原机床的几何精度、重复定位精度、加工功能、液压润滑冷却方面的问题等进行统一检查，结合使用中问题的统计制定改造方案如下:

机械方面将X、Z1、Z2轴伺服电动机、滚珠丝杠、轴承、滚动导轨块全部更换，Q轴、S1轴伺服电动机更换，相应的各轴电动机接口重新设计，更换磨头轴承、传动皮带，所有防护门移动直线轴承更换，另外液压、润滑、冷却液部分动作不正常、泄漏等问题统一解决。

电气方面采用SIEMENS Sinumerik 840D数控系统进行全面改造，原电气系统全部拆除。系统设置为车床模式，X轴的工件坐标为直径显示，Z1、Z2在操作与编程上均视为一个Z轴，根据当前磨头来决定实际的移动轴，X、Z1、Z2轴均采用 HEIDENHAIN LS487C玻璃光栅尺实现闭环控制，Q轴设置为PLC轴，绝对值编码器反馈，内外圆磨头电动机分别为7.5 kW、11 kW，通过一台611U装置驱动，采用其参数组切换功能实现两台电动机的控制;电磁吸盘采用德国Wagner Magnete L752控制器控制上磁和消磁，磁力大小通过编码开关控制;外圆磨头的动平衡调整装置更换为德国MPM AB240控制器，可以通过自动或手动方式来实现砂轮的动平衡调整。磨削加工程序分为内圆、外圆、平面磨削，其中内外圆均有锥度磨削，砂轮修整分为内圆砂轮直径与底面修整、外圆砂轮直径与底面修整，将以上功能需求融合编制成7个程序，并将可能变化的数据用自定义变量或R参数代替，然后采用EasyMask软件设计与制作人机交互界面，便于操作人员输入加工数据，人机界面中带有加工过程与设备状态监控和立柱旋转操作流程监控等。

3 技术要点

要实现以上的改造方案，有很多技术工作要做，如Z1、Z2在操作上视为一个Z轴，需要修改FC25;立柱旋转Q轴的PLC定位是一个流程控制，涉及到X/Z1/Z2的状态与坐标位置要求、前/后防护门的开关、磨头的状态、定位销动作、各限位的状态连锁等，采用流程控制编程方式使程序流程清晰、可读性好。下面就其中几个主要的调试技术进行阐述。

3.1 参数组切换

内外圆磨头通过ANA模块作为一个模拟主轴在NC中直接编程，其2台电动机功率、转速等参数不同，因此需用到611U的参数组切换功能。

611U的参数组切换功能的设计与调试类似于6RA70、6SE70等西门子产品，支持最多4台不同参数的电动机，通过SincomU设置实际使用的参数组数量，并设置好相应的各组主要电动机参数:

1103 Rated motor current:电动机额定电流(A)

1119 Series reactor inductance:定子感抗(mH)

1129 Cosine Phi power factor:功率因素

1130 Rated motor power:电动机额定功率(kW)

1132 Rated motor voltage:电动机额定电压(V)

1134 Rated motor frequency:电动机额定工作频率(Hz)

1146 Maxinum motor speed:电动机最大允许转速(r/min)

1400 Rated motor speed:电动机额定转速(r/min)

上述所有参数，包括1119和1129必须与实际电动机匹配，以使电动机工作正常，1146的值对应611U模拟给定输入电压10 V，该值应与NC参数MD32250相匹配。参数组的切换利用611U的自定义DI端子来控制，切换成功与否可通过SincomU来监控，并通过自定义DO端子来跟踪生效的参数组，以控制相应的接触器闭合。2个主轴的速度匹配与限制，通过PLC调用FB3来修改NC参数32250、32000、36200等来实现，每次内外圆磨头切换后PLC控制自动修改参数并软复位使参数生效。

3.2 动平衡系统

外圆磨头的动平衡系统选用德国MPM AB240控制器，结合测振仪反馈信号和转速信号，通过电磁感应来控制两台平衡调整电动机的运动方向，调整相应的平衡块的位置，从而达到动平衡自动调整的目的。所有参数通过触摸屏相应的菜单输入，也可以通过软件嵌入到Sinumerik HMI Advanced软件中，集成操作。经过安装调试，该系统工作正常，反应灵敏，可以通过自动或手动方式来实现砂轮的动平衡，不平衡量小于0.06 μm。

根据振动传感器和速度传感器的特性设置AB240的硬件参数(Special Parameter，参数仍为德语标识):

Schwingungsfuhler:1∶1，振动传感器的信号放大比

Drehzahl sensor:NPN，速度传感器输出为NPN型

Vorgabedrehzahl:AUS，默认平衡速度设置无效

根据外圆磨头正常工作的平衡特性需求与机械状态，设置适当的动平衡量参数(Limit Parameters):

In Tolerlanz:0.06 μm，不平衡量限值

Auβer Toleranz:0.09 μm，不平衡量超出范围值

Unwucht Alarm:0.2 μm，不平衡量报警值

Drehz.Kleiner:1 000 r/min，转速下限

Drehz.Grosser:1 800 r/min，转速上限

3.3 电磁吸盘控制器

电磁吸盘的控制选用了德国Wagner Magnete公司的最新产品L752系列数字控制器来实现吸盘的上磁、消磁。其磁力大小通过一只6档格雷码编码开关控制，根据磨削工艺来选择相应的档位。线缆均通过台面底部安装的旋转滑环来连接，相应的联锁与控制通过PLC程序来实现。

选择的控制器为752－ST/1，一个控制器可最多支持4个功率模块，选择的功率模块为752－LT/EP30，最大电流30 A。

在使用控制器前需对其进行组态，可以通过跨接片手动组态，也可以通过单独购置的PC版软件来组态。手动组态时通过 X4上的 HK4、HK3、HK2、HK1、UMP、SPA共6个端子的组合状态实现。每次手动组态需维持最少4 s才能生效，且各个独立的组态码不能组合进行。如吸盘类型为永磁电磁吸盘的组态码为010011，6档格雷码夹紧力档位组态码为100111。以上组态完成后可连接电磁吸盘进行对象测量，其组态码为000011。如果需要对控制器内部的继电器进行复位，则可通过组态码111111来实现。组态完毕后就可以通过外部按钮来控制电磁吸盘的上磁与退磁，并通过控制器自带的输出信号控制相应的指示灯。

3.4 磨削加工界面

内圆砂轮有φ90 mm、φ150 mm、φ175 mm三种规格，分别设为T1、T2、T3，外圆砂轮设为T4。砂轮修整程序中根据实际修整量自动修改刀具磨损数据，在磨削加工程序中调用刀具数据进行补偿。后台的NC程序将有关锥度和补偿数据的计算统一规划考虑。

程序调试完毕后，设计与制作人机对话界面，仅需输入相应的加工数据，即可自动完成各种磨削、砂轮修整及补偿等任务。砂轮规格的选择、安全磨削增量、安全退让距离等加工参数直接在画面中设置。加工过程中，工件坐标值、已磨削量、剩余磨削量、磨削进程等均在画面中实时显示，使机床的效率和可操作性得到了很大的提高。同时设计了过程数据与机床信息监控画面，配合故障诊断报警，使机床的故障率和故障时间得到降低。图2是内圆磨削的界面，画面中的“当前位置”软键可将对刀后的当前位置设为工件坐标零点，方便操作;画面中的“修改”软键可将画面中的可修改部分置为修改状态，允许数据输入;画面中的“确认”软键表示确认画面中的加工数据输入完毕，系统自动切换到AUTO方式，加工开始进行。在砂轮修整画面中，对重要的数据如砂轮修整零偏值等进行了加锁保护，防止误操作。

3.5 直径模式

对于立式内外圆磨床来说，X轴的位置显示应设置为实际行程的2倍，类似于立车的X轴。要使直径显示并在编程中采用直径编程，需修改参数如下:

MD9020 TECHNOLOGY=1，1为车模式，2为铣模式

MD27800 TECHNOLOGY_MODE=1，1 为车模式，2为铣模式

MD20360 TOOL_PARAMETER_DEF_MASK=C0H，位6、7置“1”，分别激活直径值计算与读取。

MD20100 DIAMETER_AX_DEF=X，设置X轴为直径模式轴

这样，只要在工件坐标系下X轴行程值就显示为机床坐标下的2倍。在NC编程时加上模态指令DIAMON即可。

3.6 系统分辨率

由于每次进刀量小，有时可能为0.003 mm或0.005 mm，所以半径显示应为0.001 5 mm或0.002 5 mm，HMI默认的小数点后3位显示不能满足加工的需求，需要修改如下参数:

MD10200 INT_INCR_PER_MM=10 000，位置值计算分辨率设为小数点后4位

MD9004 DISPLAY_RESOLUTION=4，显示分辨率设为小数点后4位

这样，系统就会自动提高计算与显示精度。当然一台机床的加工精度主要取决于机床的几何精度、定位精度和重复定位精度，只有机床精度和测量系统精度达到或接近于系统的计算与显示精度，这样的设置才有意义。

4 结语

经过机床的整体改造，原有的隐患得到了根除，新的控制系统功能强大，运行可靠，电磁控制器和动平衡系统反应灵敏，运行稳定。系统运行稳定，交付使用以来尚未出现故障;几何精度、定位精度和重复定位精度均达到或超过该机床的出厂精度标准，X、Z1、Z2轴重复定位精度分别达到 8 μm、6 μm 和 4 μm(德国VDI3441标准)。