隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、材料技術(shù)和信息控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我國數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)也從低水平經(jīng)濟型數(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)自動化等。
本項目致力研究基于數(shù)控機床控制系統(tǒng)的軟件及相關(guān)硬件。針對高精度內(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，利用人機界面通過CNC 軟件開發(fā)實現(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摹⒕哂寫蔥灤緣腃NC 系統(tǒng)軟件構(gòu)建開發(fā)方案。項目實施后，對數(shù)控機床的控制方案增加了選項。
1、控制系統(tǒng)設(shè)計
本磨床是用于磨削高圓度內(nèi)圓的半自動精密磨床，適用于各類元件的批量加工，根據(jù)加工要求，本機床有3 種工作狀態(tài)：調(diào)整狀態(tài)、半自動狀態(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 級控制的結(jié)構(gòu)， PLC 負責按鈕和其他開關(guān)量信號的輸入以及發(fā)出信號去控制接觸器、繼電器和變頻器等電氣元件，進而控制各電機的運行。同時控制相應(yīng)指示燈的顯示。觸摸屏用來進行參數(shù)的修改與設(shè)定、自動控制、在線監(jiān)視和傳送信息等工作。PC 機(觸摸屏) 通過串行口與PLC 相連，進行相互通信，所以觸摸屏是通過發(fā)出命令去控制PLC的運行，以達到進行半自動控制的目的。
本機床共有13 臺電動機和1 臺變頻器來驅(qū)動有關(guān)部件。包括主軸冷卻電動機、磁性分離電動機、工件冷卻電動機、液油泵電動機、動靜壓油泵電動機、油霧分離電動機、動靜壓油泵循環(huán)電動機、砂輪主軸電動機、工件軸電動機、砂輪往復(fù)電動機、液壓油冷卻電動機、動靜壓油冷卻電動機、砂輪修整器電動機和變頻器。
在這些電機中，砂輪主軸電動機采用中頻變頻器進行無級調(diào)速；進給分為砂輪軸(軸向) 進給和車頭軸(徑向) 進給，其中車頭(徑向) 進給軸X 采用伺服控制。X 軸進給要求：移動距離70 mm ，位置控制精度0. 003 mm ， 電動機絲杠直聯(lián)， 絲杠螺距5 mm。要求采用中慣量電動機，功率400 W。液壓油冷卻電動機，動靜壓油冷卻電動機，砂輪修整器電動機為直流電動機。其中砂輪的往復(fù)運動由它激式直流電動機驅(qū)動，通過可控硅完成調(diào)速。
機床有關(guān)部件的直線(回轉(zhuǎn)) 運動由液壓系統(tǒng)完成，共由10 個電磁閥組成。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，以三菱970GOT 觸摸屏為人機界面，選擇伺服定位單元型號為FX2N210GM ，X軸伺服驅(qū)動器型號為MR2J 2S260A ，伺服電動機型號為三菱中慣量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)計分3 部分：內(nèi)部變量的合理規(guī)劃、人機界面畫面設(shè)計和PLC 程序設(shè)計和伺服進給程序設(shè)計，由于篇幅所限，給出PLC和伺服程序設(shè)計流程， 如圖2所示。圖中系統(tǒng)上電，指電源總開關(guān)；強電開啟是為了安全起見，設(shè)置的強電總開關(guān)，只有此開關(guān)閉合，整個系統(tǒng)才能正常工作；工作方式后面將敘述；為了保證機床動作的可靠性，本系統(tǒng)采用了邏輯控制與輸出驅(qū)動分步進行的方法；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)計流程
3、數(shù)控操作界面設(shè)計
數(shù)控操作面板應(yīng)該具備界面友好、操作方便、自診斷功能強和適合磨床的工藝特點。精密數(shù)控內(nèi)圓磨床有動作調(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)必須在總啟動以后才能執(zhí)行，機床的每一步動作都有一定的連鎖條件，只有在這些條件滿足時，該動作才能被執(zhí)行，為了使操作者方便操作機床，在人機界面上設(shè)計了多種指示信息和必要的提示。觸摸屏的主控制界面設(shè)計主要提供進入這5 種工作方式或進入?yún)?shù)設(shè)置的操作入口，為了增強自診斷能力，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，平時則處于消隱狀態(tài)。
在精密內(nèi)圓磨床的4 種自動循環(huán)中，“磨削循環(huán)”是最典型的自動循環(huán)。本設(shè)計以磨削循環(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，按下外部循環(huán)開始按紐，自動循環(huán)開始：首先進給系統(tǒng)自動回到電氣零位——按工作條件逐步啟動縱滑板前進電磁閥、主軸電動機、冷卻電動機、往復(fù)電動機——進給系統(tǒng)按預(yù)置進給到磨削起始位——按進給預(yù)置次數(shù)及進給量、進給速度要求完成進給過程——進給系統(tǒng)回復(fù)原位——按動作順序及條件逐步停止縱滑板前進電磁閥、冷卻電動機、主軸電動機和往復(fù)電動機，并進行往復(fù)剎車——結(jié)束循環(huán)。
圍繞上述控制功能要求，設(shè)計出自動磨削循環(huán)控制界面。在磨削循環(huán)進行過程中，在觸摸屏上可以監(jiān)控循環(huán)條件、循環(huán)進程、動作狀態(tài)、X 軸當前位置、進給量和進給速度。當不滿足循環(huán)條件啟動時，自動磨削環(huán)控制界面左上方會提示“循環(huán)條件不滿足”；而在循環(huán)進行中，畫面上會出現(xiàn)“循環(huán)中斷”按紐，以便操作人員隨時中斷該循環(huán)。
4、結(jié)語
目前該方案已實施，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作要求，優(yōu)化了修整砂輪工藝要求的進給曲線，滿足了工藝要求的準確定位。加工精度符合要求。實踐證明，本設(shè)計是一種可持續(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。項目實施以后，對數(shù)控機床的控制方案增加了選項，降低了數(shù)控機床生產(chǎn)成本。
