蔡麗娜 陳大林

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磨床數(shù)控系統(tǒng)的價值合理化配置

蔡麗娜 陳大林

(杭州杭機股份有限公司 杭州 311305)

在數(shù)控磨床的開發(fā)中，數(shù)控設備的選用是最關鍵的問題。針對不同類型的磨床、不同的加工工藝要求、生產批量以及磨床更新?lián)Q代的速度，介紹了數(shù)控設備的先進技術和功能配置，分析了選用數(shù)控設備時的難度及復雜性和慎重性，以滿足不同企業(yè)的使用環(huán)境和生產規(guī)模的需求。實踐證明，磨床系統(tǒng)配置是否合理將決定數(shù)控磨床的性價比和市場生命力。

磨床 數(shù)控系統(tǒng) 成本 效率

為了滿足現(xiàn)代工業(yè)生產中工件型面復雜、精度要求高、更新快及無人化管理的要求，越來越多的磨床制造企業(yè)選擇了數(shù)控化的道路。由于進口數(shù)控系統(tǒng)在核心技術、加工對象適應性、操作系統(tǒng)人性化、網(wǎng)絡化和服務等方面明顯優(yōu)于國產的數(shù)控系統(tǒng)和可編程控制器(智能PLC)，很多制造企業(yè)和用戶已對其產生了依賴性。不同種類磨床的工藝復雜程度存在著差異，不同規(guī)模的企業(yè)在生產管理方面的要求也不同，在系統(tǒng)功能的使用上有著不同程度的浪費，出現(xiàn)機床成本居高不下、性價比不合理的局面。

1 數(shù)控磨床概述

數(shù)控磨床是由精密機械本體和數(shù)字控制系統(tǒng)組成的機電一體化產品，其基本工作原理是利用數(shù)控技術實現(xiàn)對加工過程的自動控制。磨床本體包括床身、立柱、工作臺、磨頭、進給傳動機構、液壓系統(tǒng)、砂輪修整裝置、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及輔助裝置等結構，其結構設計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性，從而確保其工藝適應性能和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力。常用的數(shù)字控制系統(tǒng)主要有計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)、可編程控制器(智能PLC)等。

CNC系統(tǒng)的基本工作原理是插補原理(即最小位移量的合成運動)，主要由數(shù)控裝置、驅動裝置、位置檢測裝置、可編程邏輯控制器、NC程序處理裝置組成。數(shù)控裝置是控制核心，按所能實現(xiàn)的控制功能分為點位控制、直線控制和連續(xù)軌跡控制3類；驅動裝置通常由伺服驅動器和伺服電動機組成，分開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)3種類型；可編程邏輯控制器作為輔助控制裝置，完成整個機床的邏輯控制；NC程序處理裝置完成工件加工程序的編制、輸入、存儲等操作?？删幊炭刂破?智能PLC)的基本工作原理是通過輸出指定數(shù)量、方向和頻率的脈沖實現(xiàn)對伺服電動機的位置控制或速度控制，主要由CPU單元和驅動裝置組成；機床邏輯控制、伺服電動機控制、自動加工循環(huán)均由CPU單元中的用戶程序實現(xiàn)；驅動裝置分開環(huán)和半閉環(huán)兩種類型，開環(huán)裝置由步進驅動器和步進電動機組成，半閉環(huán)裝置由伺服驅動器和伺服電動機組成。

磨床的種類較多，按加工精度可分為普通級、精密級和高精密級磨床；按磨削工件類型可分為平面、外圓、內圓、端面、成型、工具等磨床。下面以平面磨床和成型磨床為例，對磨床數(shù)控系統(tǒng)的價值合理化配置提出一些建議，供大家參考。

2 數(shù)控系統(tǒng)的價值合理化配置

2.1 低端配置

2.1.1 應用背景

用于磨削平面零件、簡單直線定位、循環(huán)動作固定且批量較大的生產時，為了提高生產工效，實現(xiàn)一人多機管理，可采用可編程控制器(智能PLC)加伺服裝置的配置，實現(xiàn)自動化加工，并達到普通級精度要求。以臥軸矩臺平面磨床為例，其加工特點是用砂輪周邊磨削工件的上表面，只需對磨頭垂直進刀軸進行定位控制。磨床結構如圖1所示。

2.1.2 配置實例

控制系統(tǒng)組件：可編程控制器(OMRON CJ2M PLC)＋位置控制裝置(脈沖I/O模塊)＋軸伺服電動機＋ NS觸摸屏＋其他配套裝置，系統(tǒng)連接框圖如圖2所示。

圖1 臥軸矩臺平面磨床Y軸向控制

圖2 控制系統(tǒng)框圖

為控制成本，其他沒有定位精度要求的運動機構，如磨頭橫向進出可由變頻電動機驅動，工作臺縱向運動可由液壓泵驅動。該磨床的自動加工循環(huán)通過PLC程序完成，將磨削進刀量折算成脈沖，利用脈沖輸出指令將指定數(shù)量、方向和頻率的脈沖發(fā)送給驅動器，來控制伺服電動機運轉。磨床使用者只能在DM區(qū)修改指令(加工)參數(shù)，不能修改自動循環(huán)程序。機床控制流程及 PLC程序如圖3所示。

（a）伺服軸控制流程圖

（b）粗磨程序

圖3 磨床控制流程及PLC程序

2.1.3 特點

以上所述的平面磨床采用可編程控制器配置，成本低于CNC數(shù)控系統(tǒng)，但在可靠性和生產效率上完全可以滿足生產要求。

2.2 中檔配置

2.2.1 應用背景

用于磨削多種平面形式、工件尺寸多變、小批量加工方式和精度要求為精密級的生產時，可編程控制器由于控制彈性不足，只能做有針對性、變化動作小的項目，整體生產效率比較低，不是理想的選擇。相對而言，采用經(jīng)濟型CNC數(shù)控系統(tǒng)更加適用，如圖4所示的臥軸矩臺平面磨床，為完成對斜面的磨削，需要對磨頭進行垂直進給的軸和橫向進給的軸進行插補控制。

圖4 臥軸矩臺平面磨床Y軸和Z軸控制

2.2.2 配置實例

控制系統(tǒng)組件如圖5所示。SIEMENS 808D控制單元＋伺服驅動器＋垂直與橫向伺服電動機＋變頻器＋主軸交流電動機。

圖5 控制系統(tǒng)連接框圖

為控制成本，沒有定位精度要求的工作臺縱向運動由液壓泵驅動。

該磨床的自動循環(huán)加工通過NC程序完成。磨床使用者可根據(jù)加工需要隨意編寫加工程序，磨床控制流程如圖6所示。

工件磨削時砂輪進給軌跡，如圖7所示。

圖7 砂輪進給軌跡

加工程序舉例如下：

“G91 G01=-2*COS(1)=2*SIN(1)=6；垂直于斜面進刀

…

G91 G01=3*SIN(1)=3*COS(1)=7；平行于斜面進刀”

程序中的進給率是砂輪軌跡速度，軸、軸速度是在坐標軸上的分量。CNC控制砂輪沿、軸以一系列密集折線的形式去逼近目標斜線，完成斜面加工。斜面的角度與長度可在一定范圍內任意指定，具有較大的靈活性。

2.2.3 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)配置屬于半閉環(huán)控制模式，調試方便，控制特性比較穩(wěn)定。通過對各軸進給系統(tǒng)的環(huán)路誤差進行補償，并采用模擬主軸實現(xiàn)恒線速控制，可獲得比較滿意的加工精度。加上CNC系統(tǒng)編程靈活的特點，對于小批量加工方式的普通級或精密級平面磨床來說，是非常經(jīng)濟實用的。

2.3 高檔配置實例

2.3.1 應用背景

用于磨削復雜型面的精密零件時，對精度及穩(wěn)定性要求很高，需通過絕對坐標定位、全閉環(huán)控制、在線連續(xù)修整、一次磨削成型等功能來實現(xiàn)工藝要求，如圖8所示橫截面為齒形面、縱向為鼓形的工件，數(shù)控系統(tǒng)必須具備相應的配置來滿足其加工要求。

圖8 復雜型面工件的磨削

2.3.2 配置實例

控制系統(tǒng)組件：FANUC 0i-MD系統(tǒng)＋伺服驅動器＋SP伺服主軸電動機＋工作臺縱向進給軸伺服電動機(帶絕對值編碼器)＋磨頭垂直進給軸伺服電動機(帶絕對值編碼器)＋修整滾輪垂直進給軸伺服電動機(帶絕對值編碼器)＋數(shù)控分度頭軸伺服電動機(帶絕對值編碼器)＋、軸絕對式直線光柵尺＋軸絕對式角度編碼器。各進給軸由伺服電動機通過聯(lián)軸器直接傳動滾珠絲杠副驅動，砂輪旋轉由主軸電動機直接驅動。由于砂輪線速度恒定，所以頂置修整滾輪不需隨時變速，由變頻電動機通過傳動機構驅動即可。FANUC 0i-MD系統(tǒng)最多可以控制5個軸，包括3個進給軸、1個附加軸和1個主軸，系統(tǒng)使用率100%。

磨床結構圖及系統(tǒng)連接框圖如圖9所示。

（a） 磨床結構示意圖

工件自動加工通過NC程序完成，機床使用者可以根據(jù)需要編寫加工程序及修改加工參數(shù)。工件加工軌跡如圖10所示，加工程序見表1。

圖10 工件加工軌跡

表1 加工程序

加工圖中尺寸符號說明加工程序中的變量號 L：工件弦長（手動輸入）#500 L3：磨削起點X越程量（手動輸入）#501 H：工件弧高目標值（手動輸入），H﹤﹤L#502 H0：磨除量（手動輸入）#503 R1：磨削起點砂輪半徑（手動輸入）#504 H3：砂輪在線修整量H3﹤﹤R1（手動輸入）#505 CX0：對刀點X坐標（手動輸入）#506 CY0：對刀點Y坐標（手動輸入）#507 CV0：對刀點V坐標（手動輸入）#508 V1：圓弧插補速度（手動輸入）#509 V2：砂輪線速度（手動輸入）#510 R：工件圓弧半徑目標值（計算得到）R=H/2+L∧2/（8×H）#511 R2：磨削終點砂輪半徑（計算得到）R2=R1-H3#512 CX1：磨削起點X坐標（計算得到）CX1=CX0+L1#513 CY1：磨削起點Y坐標（計算得到）CY1=CY0-[（R1+H0+R）-H1]#514 CV1：磨削起點V坐標（計算得到）CV1=CV0#508 CX2：磨削終點X坐標（計算得到）CX2=CX0-L2#516 CY2：磨削終點Y坐標（計算得到）CY2=CY0-[（R1+H0+R）-H2]#517 CV2：磨削終點V坐標（計算得到）CV2=CV0-（R1-R2）#518

加工程序舉例(計算過程略)：

G90 G00[#507＋10][#508＋10]

M11；修整滾輪啟動

#100=60000*#510/[2*3.142*#504]

M3 S#100；砂輪啟動

G04 P10000

G90 G00#513

#514#508

G17 G03#516#517[#511＋#504]#518 F#509；磨削及在線修整

#504=#504-#505；砂輪半徑補償

#508=#508-#505；下一次的修整對刀點

；退刀、停機指令略

M2

2.3.3 特點

該系統(tǒng)配置屬于全閉環(huán)控制模式，位置控制精度很高。由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。這類系統(tǒng)對機床的硬件要求很高，主要用于高精度和大型數(shù)控機床。

3 結語

在對數(shù)控磨床進行設計時，應以滿足加工工藝與生產管理的需要為宗旨。通常需要考慮以下幾個方面：(1)工藝要求；(2)企業(yè)的使用環(huán)境、生產規(guī)模；(3)數(shù)控設備的可靠性、性價比；(4)設備廠家的維修服務網(wǎng)絡；(5)質量保證體系；(6)市場占有率等。在為磨床配置數(shù)控系統(tǒng)時，應綜合考慮以上各個方面，力求實現(xiàn)機床成本、生產質量與生產效率的最優(yōu)化配置。