新型高精度磨床控制系统设计

新型高精度磨床控制系统设计

 

文/肖剑

 

根据内圆磨床的机械结构及高等级轴承内径的磨削要求，本文提出了新型高精度磨床控制系统设计方案。控制系统采用可编程控制器(PLC)+定位模块+手轮控制模块+伺服系统+触摸屏的控制方案，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，利用该方案控制的磨床实现了与数控系统相同的控制效果。

 

【关键词】高精度磨床 PLC 定位模块 触摸屏 控制系统

 

随着制造业的快速发展，用户对机床性能及加工工艺的要求不断提高。高精度磨床正向数控化，柔性化，智能化的方向发展。而数控系统性能优劣、功能强弱则直接影响到数控机床的加工精度，高档型数控设备以其优越的性能得到了广泛地应用，但成本投入高。近年来，运动控制技术得到了的高速发展，运动参数如运动速度、位移距离都可以使用脉冲进行控制，而PLC输入、读出、修改程序非常方便，因此，PLC在运动控制领域得到了迅速推广和快速发展。当控制系统不太复杂，功能要求也不太繁多，用 PLC 进行运动控制可以代替成本较高的数控系统。本文通过研究开发新型高精度磨床控制系统 , 提出了中小孔内圆磨床的设计思路与方法。 

 

1 磨床控制动作

 

磨床的控制动作由主运动和辅助运动两种方式组成。磨削时主运动包括磨头高速旋转运动、工件旋转运动，辅助运动包括工件轴径向进给运动、磨头轴向往复运动、金刚笔修整运动等。磨头旋转方向判定条件：当人站在磨床操作面板的右边，向工件方向看，磨头旋转是顺时针还是逆时针；磨头旋转正方向判断原则：磨削火花向下；工件旋转方向则应该与磨头旋转方向相反。由于磨头宽度比待磨削表面长度窄，因此为了能够磨削全长，磨头在磨削过程中需要往复运行。图 1 为机床主运动示意图。

 

2 总体方案

 

从机床控制功能分析，机床的大部分控制为具有联锁功能的开关量控制，只有磨头轴向进给运动控制和工件径向进给运动控制为脉冲控制，因此采用 PLC 输入输出模块、定位模块及相配套的伺服电机和伺服驱动器，实现半闭环伺服控制系统。考虑磨头修整量会因磨头的新旧程度及磨削状况而随时调整，操作人员需很方便地选择机床的工作方式并能实时修改磨削参数，且能显示各种工作信息，因此采用触摸屏作为人机交流界面。考虑机械传动中的间隙问题，采用伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠副连接，使旋转运动直接转换为工作台直线运动。

 

根据以上功能要求，确定采用三菱 Q 系列 PLC 及伺服运动系统控制磨床运动的设计方案，如图2 所示。

 

3 伺服系统的选型

 

伺服电机在确定了电机系列和额定转速后，一般根据以下三个要素确定伺服电机具体型号：

 

（1）根据机床进给轴设计的最快进给速度，经过计算确定交流伺服电动机额定转速。

 

（2）选择合理的负载惯量比。若负载惯量比过小，电机过载能力差、启动力矩小，且伺服参数因为控制状态不稳定，调整起来很困难。

 

（3）连续特性 ( 工作状态载荷扭矩 )。为避免伺服电机频繁启动、制动造成过热现象，必须检测计算到它在一个运行周期内电机转矩的平均值，该值要小于电机额定转矩。在选择的过程中，依次计算三要素来确定电机型号，如三要素中任意一个要素不满足条件，则采取更换电机型号或提高电机容量等措施。

 

3.1 伺服电机的负载惯量的计算

 

伺服电机主要根据编码器分辨率高低、电机惯量的大小和电机额定转速快慢来进行区分，负载惯量分为旋转负载和直线移动负载，伺服电机应具有合适的负载惯量倍率。

 

内圆磨床X 轴的主要规格如表1所示。 

 

X轴负载惯量可分为旋转负载惯量和直线移动负载惯量来计算。直线移动负载惯量的计算如公式(1-l) 所示：Jt=W×                                （1-1）式中：W—运动部件质量/Kg；L—丝杠导程/ mm。把表3-3 中的数据代入公式(3-l) 中Jt=200× =1.82(Kg•cm2)旋转负载惯量 JR 的计算方法如公式 (1-2)所示：Jt=    • D4                                （1-2）式中：l—丝杠长度/cm；D—丝杠直径/cm； ρ—丝杠密度/ Kg•cm3丝杠密度取 7.8×10-3Kg•cm3，把表 1-3 中数据代入公式(1-2) 中 JR= ×2.54=0.93(Kg•cm2)故X 轴负载惯量JL 为： JL=JT+JR=1.82+0.93=2.75(Kg•cm2)

 

根据上述所得数据，查阅三菱伺服驱动系统使用手册，选用 HC-SFS152 型伺服电机，电机转速 2000r/min，额定功率 1KW，额定电流 5.3A，额定转矩 4.77N•m，最大扭矩 14.3N•m，静态扭矩 8.5N•m，转动惯量4.31Kg•cm2。

 

3.2 短时间特性计算

 

ta=                （1-3）式中：JM —电机惯量/ Kg•cm2TMAX—电机最大扭矩/ N•m从三菱伺服系统使用手册里查找相关数据代入公式（1-3）中ta=  =52.3(ms)得到ta<100ms满足条件。

 

3.3 连续特性计算

 

 连续实效负载扭矩 Trms 应为静态扭矩 Tst的80%以下，即：Trms  ≤  80%×Tst                              （1-4）Trms  = TL ×                          （1-5）式中： CDmax—最大负载惯量比从三菱伺服系统使用手册里查找相关数据代入公式（1-4）、（1-5）中Trms =2.12×   =2.26(N•m)Trms =  80%×Tst =0.8×8.5=6.8(N•m)得到 Trms <Trms '，满足条件。综 上 所 述， 控 制 系 统 选 用 三 菱 HC-SFS152型伺服电机，满足系统要求。

 

4 控制系统的软件设计

 

控制系统的软件设计是配合系统的硬件设置，来满足机床的各种控制要求。并利用PLC编程软件编制程序的灵活多变性，来提高机床的控制功能。用户根据加工工艺要求，通过操作触摸屏进入主菜单界面，选择某种工作方式。主程序在执行过程中，则会调用相应的顺序功能图程序块，该控制系统包括五个顺序功能图程序块,分别为：手动磨架循环程序块、手动进给程序块、砂轮连续修整程序块、自动运行程序块、紧急复位程序块，如图4-1 所示。

 

5 结论与展望

 

本课题对如何使用 PLC 控制内圆磨床伺服运动系统进行了研究，通过方案选取、系统设计、参数整定、系统调试及磨削试验，解决了以下关键技术：

 

（1）研究分析了高精密磨床工作特点及磨削工艺要求；

 

（2）选定了 PLC、定位模块、触摸屏、伺服系统等部件的型号，完成硬件电气部分的设计；

 

（3）掌握了 Q 系列 PLC、D/A 模块、定位模块的参数设置和编程方法；

 

（4）掌握了三菱 MR-J3-200B 型伺服驱动器的信号特征、参数设置及连接方法；

 

（5）合理规划了 PLC 内部变量 , 充分利用基于 PLC 开发的控制系统拥有的参数开放化，部件模块化等优点 , 完成了系统软件的设计及优化；

 

（6）熟悉了高精度磨床的动作过程 , 优化加工工艺,提高了加工精度；

 

（7）解决了电气系统、液压系统、执行系统、控制系统的整合问题；

 

（8）设计并调试了系统控制程序。 通过解决关键技术难点，实现了以下目标：

 

（1）完成了高精度磨床预定的动作要求,实现了机床 X、Y轴的半闭环控制；（2）完成了触摸屏画面，实现了互动友好的人机对话功能；（3）脉冲当量达到 0.1um/ 脉冲 , 重复定

 

位精度满足了设计要求。

 

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作者单位

 

江苏省扬州技师学院　江苏省扬州市　225003

 

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