基于HMI的数控精密内锥面磨床控制系统设计

2013-08-14吴剑峰

河南科技 2013年1期

吴剑峰

(1.河南工业大学工程训练中心，河南郑州 450001;2.郑州第二机床厂，河南郑州 450007)

0 引言

小阀座加工后图纸见图1，图中所示59?锥面为待加工面，加工后圆度要求在1μm以内，粗糙度Ra在0.2μm以内，对外圆跳动在50μm以内，所以磨削加工成为首选加工方案。由于工件加工精度要求较高，磨床工件轴采用了动静压主轴;工件夹具采用薄壁套类零件专用薄膜夹具［1];砂轮轴采用需油雾润滑的轴承支撑结构高速电主轴;X、Z向工作台采用十字交叉滚柱导轨和高精度滚珠丝杠螺母付传动;Z向滑台上装有往复偏心机构和小滑板;偏心机构和小滑板通过油缸相连;磨削工艺采用单颗粒金刚石修整，砂轮往复磨削，Z轴进给模式;控制系统采用“HMI+PLC+AC SERVO”模式，系统结构简单，维护方便，与选用标准数控系统相比，节约了大量成本。

图1 小阀座图纸

1 机床电路设计

数控内锥面磨床电控线路由主电路、控制电路、PLC输入输出接口电路、伺服电路等部分组成。主电路电源为380V/50Hz三相交流电，包括液压、工件主轴、静压、磁分离器、工件冷却、电主轴冷却、吸油雾等七台交流电动机，一台往复直流电机和一台高速电主轴。其中高速电主轴由变频器驱动，变频器与PLC通过RS485接口相连接。选用台达DOPA10THTD人机界面和DVP-40EH00T2可编程序控制器，人机界面与PLC通过RS232接口相连。由于人机界面内置了与PLC的通讯程序，只需要在人机界面编程软件包中正确选择PLC型号，将编制好的控制画面数据下载到人机界面，通过RS232电缆连接人机界面与PLC，即可实现人机界面和PLC的自主通讯，从而使控制系统软件编制工作量大为减轻。

1.1 主电路各电动机功能

机床配有专门的液压油箱、静压油箱、工件冷却油箱和电主轴冷却水箱。由于液压油、静压油、工件冷却油各不相同，各油箱、水箱管路必须独立，避免油油、油水混合。液压电动机起动后，能提供1.0～1.2MPa的压力给修整器和小滑板使用，用于抬起、倒下修整器，驱动小滑板前进、后退;能提供0.5～1.2MPa的可调压力给装配在静压主轴上的工件薄膜夹具使用，用于松开、锁紧夹具，装卸工件。静压油箱配备蓄能器、3级油过滤装置和压力、压差传感器，机床起动后，能提供2.0MPa的干净、稳定压力给动静压工件主轴使用;使用中的静压工件主轴电机如果意外断电，蓄能器可以维持住静压油箱出口压力直到主轴停止转动。由于静压油升温较快，静压油箱必须配备专用的油冷却机，把静压油温控制在35℃左右。吸油雾电机用于清洁机床全封闭罩壳内由于冷却高速电主轴前后端轴承等而产生的油雾，避免污染罩内环境;磁分离器电机用于带动磁性滚筒，吸附并去除大部分磨削产生的铁屑;电主轴冷却电机用于冷却电主轴的三相绕组;工件冷却电机用于磨削加工时打入冷却煤油，冷却工件;工件主轴电机与静压主轴通过同步带、轮相连接，驱动工件主轴旋转。

1.2 静压工件主轴控制［2]

工件主轴通过一台0.75KW/1440RPM电动机驱动，采用星形接法。由于电动机在工作时需频繁启动，配备了专用热继电器对工件主轴电动机进行过载保护，整定电流为2A，过载信号引入PLC输入点。另外工件主轴启动还必须同时具备两个条件，一是静压油过滤后的压力不低于2.0MPa，二是静压油过滤前、后的压力差不大于0.25MPa。这两个信号通过安装在静压油箱上的压力与压差传感器检测，两个信号串联后引入PLC输入点。电动机的启动、停止由交流接触控制，接触器线圈与PLC输出接口直流继电器常开触点串联后接入～24V控制电源。直流继电器由PLC输出点控制，其线圈与PLC输出点连接后接入-24V电源。

1.3 砂轮主轴控制

砂轮主轴采用了洛阳轴研科技股份有限公司生产100MD60Y4磨削用电主轴，该型电主轴需配备冷却水箱和油雾润滑装置，润滑装置需配备气压和液位检测传感器，防止气压偏低或缺油导致电主轴损坏。电主轴S1功率为2.5KW，电压350V，频率 1000Hz，转速达到 60000RPM。采用台达VFD037V43B变频器驱动砂轮主轴，解锁后的变频器最高输出频率达3000Hz，支持转速达到120000RPM的电主轴。变频器配备RS485通讯接口，支持MODBUS通讯协议。由于台达EH2系列PLC内置了MODBUS便利指令，将PLC的RS485接口与变频器的RS485接口相连后，可以非常方便的采用通讯方式调整电主轴的转速，控制电主轴的启动、停止。变频器的工作参数通过人机界面写入PLC内部寄存器保存，通过人机界面上设计的触摸键控制电主轴的启动、停止，在人机界面上可以实时显示电主轴的电压、电流、工作频率等参数。

2 控制画面设计

控制画面需在人机界面软件包中开发完成。首先要在人机界面软件包中设定好模块参数，模块参数设置包括一般、通讯、默认值等几个菜单，在这几个菜单下需设定好人机界面和PLC型号、站号，端口号、通讯参数、系统控制区地址、默认启动画面等参数。经编译后的控制画面数据需用数据线下载到人机界面，然后通过专用的通讯线将人机界面和PLC连接，通电后人机界面和PLC即可实现自主通讯。

图2 机床主菜单画面

根据内锥面磨床的磨削工艺要求，共设计完成了7个控制画面，这些控制画面根据PLC内的画面参数寄存器D0的数据变化自动切换画面。七个控制画面如下：①机床LOGO;②主菜单;③调整状态;④砂轮长修;⑤半自动参数设置;⑥半自动状态;⑦特殊参数设置。画面①在模块参数设置中设定为人机界面的默认启动画面。机床上电，人机界面开始自检，完成后显示机床型号、机床名称、制造商、联系电话等信息，无其它控制功能。机床液压启动后，根据画面参数寄存器D0的数据变化，人机界面自动切换到画面②(见图2)。在画面②上设计了调整状态、砂轮长修、半自动状态、半自动参数设置、特殊参数设置五个触摸键，触摸相应按键即可自动进入画面③至画面⑦。

2.1 调整状态界面(见图3)

画面总体分为三个部分：状态与机床坐标显示区、参数设置区、控制功能区。状态与机床坐标显示区用于显示PLC外部输入、输出点的状态，显示机床X、Z轴坐标以及变频器的工作频率等。参数设置区用于设置机床X、Z轴寸动速度，增量速度和增量值等。控制功能区用于发出各种指令控制机床各部件的动作，是PLC程序设计的核心。该功能区的触摸键被人为触发后，PLC立即接受到该指令并检查该指令是否满足执行条件，若满足则发出定位脉冲串经伺服系统处理后由伺服电机驱动工作台运动到指定位置，或者由PLC输出点驱动接触器、继电器、电磁阀等完成对电动机、修整器、卡盘、小滑板、砂轮往复等的控制。如果指令不满足执行条件，则触摸后机床无动作反应。控制功能区还设计有一个“X轴解锁”按键，用于解除对X轴的锁定，防止误操作的发生。由于磨削内锥面时，只需要Z轴运动进给，安装在其上的往复机构带动砂轮轴往复磨削即可，X轴不需要参入磨削，所以X轴平时处于锁定状态而不能通过触摸键使其运动。当薄膜夹具上的卡爪因磨损或者更换等原因需要重新自磨时，需要在电主轴上更换砂轮并解除对X轴的锁定，待卡爪自磨完成后需重新锁定X轴。

图3 机床调整状态画面

2.2 砂轮长期修整界面(见图4)

在更换新砂轮或者砂轮损坏时使用，控制画面上需要设置好砂轮长修位置、修整量、修整进给速度三个参数，PLC控制程序功能如下：开启气源，当变频器启动条件满足后先启动电主轴，等电主轴到达额定转速后长修条件即自动满足，此时可以按循环启动按钮开始长修砂轮。Z轴先快速运动到设定好的砂轮长修位置，到达后修整器立即倒下。PLC检测到修整器倒下信号，立即调用砂轮修整补偿子程序，按照设定好的修整量和修整进给速度驱动Z轴运动，补偿完成后控制往复油缸的电磁阀立即带电，驱动小滑板向后运动，到达后位后电磁阀自动断电，小滑板紧接着向前伸出，到达前位后完成一次修整循环。然后又调用修整补偿子程序，重复上面的过程直到修整结束位置到或者人为中断而退出砂轮长修循环。

图4 机床砂轮长修画面

2.3 磨削工艺参数设置界面(见图5)

在设计时系统脉冲当量被定为0.25?m。由于PLC只能记忆发出的脉冲数量和方向，为了在人机界面上准确显示机床坐标值，本页的尺寸设置需要用到人机界面的宏功能。以Z轴快进位置为例，180mm输入后，梯形图中使用定位指令后PLC会发出180000个脉冲，但工作台实际只运动了180000*0.25=45mm。所以对于本页的尺寸参数，输入后需要用画面circle宏放大4倍，然后传送到PLC的内部寄存器中批量保存。还需要将PLC的CH1通道脉冲现在值寄存器D1338中的数据缩小4倍显示成机床坐标值。画面上的的“正转”按钮触摸后自动变成“反转”，方便更换电主轴后调整砂轮旋转的方向，但设有密码，防止误操作。

图5 机床半自动参数设置画面

2.4 半自动磨削状态界面

图6是半自动磨削时状态显示画面，此画面只设有电主轴启动和停止两个触摸键。将半自动参数设定好后，回主菜单，按“半自动状态”触摸键即可进入该画面对工件进行半自动加工。PLC控制功能如下：半自动条件满足后，按循环启动按钮，Z轴快速运动到磨削(快进)位置，开工件主轴、冷却液和往复电机，然后Z轴按照设定好的粗磨Ⅰ至Ⅵ段尺寸及速度进给对工件进行粗磨，结束后延时2秒钟，关冷却液和往复电机，然后Z轴退出磨削位置反向运动到Z轴推出(砂轮修整)位置。到达后修整器立即倒下，然后按照设定好的修整量及修整次数修整砂轮，完成后修整器自动抬起，Z轴重新回到磨削位置，开冷却液、往复，精磨工件，完成后再次延时3秒钟，然后Z轴快速退出，在退出同时关工件主轴、冷却液和往复，回零位后结束一个半自动循环。由于在一个半自动循环中需要对砂轮进行多次修整，砂轮会变短，需要在PLC程序中加入自动补偿功能，第一处补偿加在Z轴快进(磨削)位置，第二处补偿加在砂轮修整后的返回位置，第三处补偿加在Z轴推出位置。