隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)和信息控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)也從低水平經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)走向高功能數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)。其發(fā)展趨勢(shì)為高可靠性、高柔性化、高加工精度、復(fù)合化和制造系統(tǒng)自動(dòng)化等。
本項(xiàng)目致力研究基于數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件及相關(guān)硬件。針對(duì)高精度內(nèi)圓磨床的數(shù)控問題，采用帶有定位、模擬量控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制功能的PLC 產(chǎn)品為控制核心，積木式地加上定位、模擬量、網(wǎng)絡(luò)等模塊，利用人機(jī)界面通過CNC 軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)磨床的數(shù)控功能。該技術(shù)途徑的內(nèi)部變量、核心軟件及CNC觸摸屏操作界面均由自己定義，開發(fā)難度較高，但擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可苯郵迪滯?緲刂疲?屎現(xiàn)圃煲檔娜嶁曰?⒄狗較潁淮映殺舊蝦慫悖?檔土聳?鼗?采??殺盡Ｒ虼耍?殼暗姆槳甘且恢摯沙中??⒌?、具訉懯[灤緣腃NC 系統(tǒng)軟件構(gòu)建開發(fā)方案。項(xiàng)目實(shí)施后，對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制方案增加了選項(xiàng)。
1、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本磨床是用于磨削高圓度內(nèi)圓的半自動(dòng)精密磨床，適用于各類元件的批量加工，根據(jù)加工要求，本機(jī)床有3 種工作狀態(tài)：調(diào)整狀態(tài)、半自動(dòng)狀態(tài)和參數(shù)整定狀態(tài)。本系統(tǒng)主要采用可編程控制器( PLC) 和觸摸屏2 級(jí)控制的結(jié)構(gòu)， PLC 負(fù)責(zé)按鈕和其他開關(guān)量信號(hào)的輸入以及發(fā)出信號(hào)去控制接觸器、繼電器和變頻器等電氣元件，進(jìn)而控制各電機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)控制相應(yīng)指示燈的顯示。觸摸屏用來進(jìn)行參數(shù)的修改與設(shè)定、自動(dòng)控制、在線監(jiān)視和傳送信息等工作。PC 機(jī)(觸摸屏) 通過串行口與PLC 相連，進(jìn)行相互通信，所以觸摸屏是通過發(fā)出命令去控制PLC的運(yùn)行，以達(dá)到進(jìn)行半自動(dòng)控制的目的。
本機(jī)床共有13 臺(tái)電動(dòng)機(jī)和1 臺(tái)變頻器來驅(qū)動(dòng)有關(guān)部件。包括主軸冷卻電動(dòng)機(jī)、磁性分離電動(dòng)機(jī)、工件冷卻電動(dòng)機(jī)、液油泵電動(dòng)機(jī)、動(dòng)靜壓油泵電動(dòng)機(jī)、油霧分離電動(dòng)機(jī)、動(dòng)靜壓油泵循環(huán)電動(dòng)機(jī)、砂輪主軸電動(dòng)機(jī)、工件軸電動(dòng)機(jī)、砂輪往復(fù)電動(dòng)機(jī)、液壓油冷卻電動(dòng)機(jī)、動(dòng)靜壓油冷卻電動(dòng)機(jī)、砂輪修整器電動(dòng)機(jī)和變頻器。
在這些電機(jī)中，砂輪主軸電動(dòng)機(jī)采用中頻變頻器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速；進(jìn)給分為砂輪軸(軸向) 進(jìn)給和車頭軸(徑向) 進(jìn)給，其中車頭(徑向) 進(jìn)給軸X 采用伺服控制。X 軸進(jìn)給要求：移動(dòng)距離70 mm ，位置控制精度0. 003 mm ， 電動(dòng)機(jī)絲杠直聯(lián)， 絲杠螺距5 mm。要求采用中慣量電動(dòng)機(jī)，功率400 W。液壓油冷卻電動(dòng)機(jī)，動(dòng)靜壓油冷卻電動(dòng)機(jī)，砂輪修整器電動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)。其中砂輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由它激式直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過可控硅完成調(diào)速。
機(jī)床有關(guān)部件的直線(回轉(zhuǎn)) 運(yùn)動(dòng)由液壓系統(tǒng)完成，共由10 個(gè)電磁閥組成。為了保證可編程控制器的可靠性，在可編程控制器的輸出端與執(zhí)行元件之間增加了接口電路。
控制系統(tǒng)如圖1 所示?？刂颇K使用FX2N 系列，PLC 為控制主機(jī)，以三菱970GOT 觸摸屏為人機(jī)界面，選擇伺服定位單元型號(hào)為FX2N210GM ，X軸伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MR2J 2S260A ，伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為三菱中慣量HC2SFS252 ，編碼器分辨率為131072 脈沖/ 轉(zhuǎn)，其它部件不再累述。
圖1 控制系統(tǒng)
2、系統(tǒng)軟件開發(fā)
精密內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分3 部分：內(nèi)部變量的合理規(guī)劃、人機(jī)界面畫面設(shè)計(jì)和PLC 程序設(shè)計(jì)和伺服進(jìn)給程序設(shè)計(jì)，由于篇幅所限，給出PLC和伺服程序設(shè)計(jì)流程， 如圖2所示。圖中系統(tǒng)上電，指電源總開關(guān)；強(qiáng)電開啟是為了安全起見，設(shè)置的強(qiáng)電總開關(guān)，只有此開關(guān)閉合，整個(gè)系統(tǒng)才能正常工作；工作方式后面將敘述；為了保證機(jī)床動(dòng)作的可靠性，本系統(tǒng)采用了邏輯控制與輸出驅(qū)動(dòng)分步進(jìn)行的方法；系統(tǒng)初始化包括PLC 和定位參數(shù)的初始化。
圖2 PLC 和伺服程序設(shè)計(jì)流程
3、數(shù)控操作界面設(shè)計(jì)
數(shù)控操作面板應(yīng)該具備界面友好、操作方便、自診斷功能強(qiáng)和適合磨床的工藝特點(diǎn)。精密數(shù)控內(nèi)圓磨床有動(dòng)作調(diào)整、磨削循環(huán)、砂輪單次修整循環(huán)、砂輪多次修整循環(huán)和新砂輪修整循環(huán)共5 種工作方式，這些工作狀態(tài)必須在總啟動(dòng)以后才能執(zhí)行，機(jī)床的每一步動(dòng)作都有一定的連鎖條件，只有在這些條件滿足時(shí)，該動(dòng)作才能被執(zhí)行，為了使操作者方便操作機(jī)床，在人機(jī)界面上設(shè)計(jì)了多種指示信息和必要的提示。觸摸屏的主控制界面設(shè)計(jì)主要提供進(jìn)入這5 種工作方式或進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置的操作入口，為了增強(qiáng)自診斷能力，在操作入口的界面上按鍵右側(cè)設(shè)置了若干操作或故障提示信息，但它們是在符合條件的情況下才出現(xiàn)的，平時(shí)則處于消隱狀態(tài)。
在精密內(nèi)圓磨床的4 種自動(dòng)循環(huán)中，“磨削循環(huán)”是最典型的自動(dòng)循環(huán)。本設(shè)計(jì)以磨削循環(huán)為例介紹其控制功能，其余控制功能相應(yīng)的設(shè)計(jì)思路與此類似。
磨削循環(huán)控制功能如下：在符合多重串并聯(lián)磨削循環(huán)條件時(shí)，按下外部循環(huán)開始按紐，自動(dòng)循環(huán)開始：首先進(jìn)給系統(tǒng)自動(dòng)回到電氣零位——按工作條件逐步啟動(dòng)縱滑板前進(jìn)電磁閥、主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻電動(dòng)機(jī)、往復(fù)電動(dòng)機(jī)——進(jìn)給系統(tǒng)按預(yù)置進(jìn)給到磨削起始位——按進(jìn)給預(yù)置次數(shù)及進(jìn)給量、進(jìn)給速度要求完成進(jìn)給過程——進(jìn)給系統(tǒng)回復(fù)原位——按動(dòng)作順序及條件逐步停止縱滑板前進(jìn)電磁閥、冷卻電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)和往復(fù)電動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行往復(fù)剎車——結(jié)束循環(huán)。
圍繞上述控制功能要求，設(shè)計(jì)出自動(dòng)磨削循環(huán)控制界面。在磨削循環(huán)進(jìn)行過程中，在觸摸屏上可以監(jiān)控循環(huán)條件、循環(huán)進(jìn)程、動(dòng)作狀態(tài)、X 軸當(dāng)前位置、進(jìn)給量和進(jìn)給速度。當(dāng)不滿足循環(huán)條件啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)磨削環(huán)控制界面左上方會(huì)提示“循環(huán)條件不滿足”；而在循環(huán)進(jìn)行中，畫面上會(huì)出現(xiàn)“循環(huán)中斷”按紐，以便操作人員隨時(shí)中斷該循環(huán)。
4、結(jié)語
目前該方案已實(shí)施，完成了界面友好的數(shù)控磨床操作與顯示畫面，控制了邏輯符合數(shù)控磨床的加工過程動(dòng)作要求，優(yōu)化了修整砂輪工藝要求的進(jìn)給曲線，滿足了工藝要求的準(zhǔn)確定位。加工精度符合要求。實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)是一種可持續(xù)開發(fā)的、具有創(chuàng)新性的CNC 系統(tǒng)軟件構(gòu)建開發(fā)方案。項(xiàng)目實(shí)施以后，對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制方案增加了選項(xiàng)，降低了數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)成本。
