罗明珠

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；控制系统；设计

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。

一、外圆磨床的理论简介

（一）外圆磨床的基本结构

外圆磨床的5个主要部件包括成型砂轮、工件、金刚笔、端面量仪测头和径向量仪测头。其中金刚笔固定在头架上，因此金刚笔和工件之间的相对位置是固定的。端面量仪固定在砂轮架上，因此砂轮和端面量仪测头之间的相对位置是固定的。以头架（金刚笔、工件）为固定参照物，成型砂轮在机床坐标系下沿X轴和Z轴运动成型砂轮的圆周面轮廓与加工工件所要求的轮廓形状精确一致，通过一次磨削加工循环，就可以完成对工件的加工[1]。

金刚笔用来对新砂轮进行定型修整，把新砂轮修整为所希望的形状。此外，磨削加工中，成型砂轮不断磨损而变钝和失去形状，需要用金刚笔对成型砂轮进行轮廓修整，使之变得锋利和恢复到所希望的形状。显然，对砂轮进行定型或修整之后，必须调整工件坐标原点和砂轮原点，以使修整后的砂轮仍然能加工出合格的零件。

工件安装在头架和尾架之间的顶尖上。一般来说，工件轴线即为工件坐标系Z轴。但是，由于工件顶尖孔的大小的影响，每次安装一个待加工的工件，工件坐标原点会沿Z轴方向发生偏移。因此，每安装一个工件都需要对工件坐标原点的Z坐标值进行重新设定。

端面量仪就是用来对工件坐标原点的Z坐标值进行重新设定的。如图1所示，令端面量仪测头伸出到超过成型砂轮圆周面的位置，移动砂轮架，令端面量仪测头沿Z方向逼近并轻触工件的某个端面，即可对工件坐标原点的Z坐标值进行重新设定。径向量仪测头用来对工件直径进行在线测量，以确保加工精度。

（二）外圆磨床的基本动作

外圆磨床的运行动作主要包括以下3个部分：

第一，磨削加工，即砂轮在按照程序指定的轨迹运动，并对工件进行磨削加工。具体包括以下3种磨削加工类型：切入磨，即砂轮对准工件的加工部位，沿X轴负方向运动，对工件圆周面进行磨削。纵磨，第一步，砂轮运动到工件的加工部位的Z轴起始位置；第二步，砂轮沿X轴负方向运行一个步长；第三步，沿Z轴运动到工件加工部位的Z轴终止位置；第四步，砂轮再沿Z轴运动到工件加工部位的Z轴起始位置，重复步骤二、三、四对工件圆周面进行磨削，直到工件尺寸达到加工要求[2]。端面磨，即砂轮运动到工件的加工部位，沿Z轴负方向运动，对工件端面进行磨削。

第二，砂轮定型，即金刚笔按照指定的轨迹运动，对一个新砂轮进行修磨，使这个新砂轮具备所需要的特定形状。

第三，砂轮修整，即金刚笔按照成型砂轮的轮廓线，对成型砂轮的轮廓进行修磨，使之精确地与所要求的形状相符。

二、控制系统的硬件設计

（一）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。

（二）控制系统的技术方案

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[3]。

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100kHZ的脉冲，输出脉冲也可以100kHZ。

2.控制系统的工作原理

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。

三、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，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。

参考文献

[1]徐公志，胡苗，田勇强，冯燕明，翟淑珍.数控压缩机曲轴偏心外圆磨床的设计与研究[J].精密制造与自动化，2013（02）：24-26.

[2]杨延水.基于外圆磨床数控化改造的分析与研究[J].现代制造技术与装备，2013（03）：35-36.

[3]秦晓慧，戴蓉，宋野.工件尺寸非接触在线检测方法与实验研究[J].测控技术，2015，34（04）：5-8.