數控平面磨床控制系統(tǒng)的開發(fā)與設計

梁生龍1廖桂波1董 威1石在升2

（1.珠海城市職業(yè)技術學院，珠海 519090；2.珠海市旺磐精密機械有限公司，珠海 519090）

以FX3U-48MT型PLC為核心控制器，結合昆侖通態(tài)觸摸屏，設計了精密平面磨床的控制系統(tǒng)，詳細介紹精密平面磨床的硬件組成和軟件設計。通過對人機界面的人性化設計，融入大量的故障報警信息提示，為磨床操作、維護維修提供可視化的平臺，大大提高平面磨床的自動化、智能化水平。實踐證明，該控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)、控制精度高，可滿足客戶的需要與市場的需求。

PLC 觸摸屏 平面磨床 控制系統(tǒng)

引言

平面磨床是機械制造行業(yè)中實現精加工的機床，磨床的精度水平決定著機械零件的最終加工精度和質量[1]。目前，市場上的數控磨床控制系統(tǒng)主要采用集成電路板控制，用面板進行操作，人機互動性較差，磨床制造商只能利用系統(tǒng)商提供的固定模式的控制方案，增加控制功能或改變控制模式進行個性化開發(fā)是一件十分困難的事，當出現控制板故障損壞時，維修維護極不方便。有很多企業(yè)希望采用“PLC+觸摸屏”的控制方案實現控制，用戶既可自行開發(fā)適合各自控制要求的個性化軟件，同時保持系統(tǒng)的實時性，又可節(jié)約企業(yè)的生產成本?？紤]到平面磨床生產工藝要求和客戶需求，珠海市旺磐精密機械有限公司與珠海市城市職業(yè)技術學院共同研發(fā)了開放式的精密平面磨床控制系統(tǒng)。基于FX3U-48MT型PLC和MCGS組態(tài)軟件設計了適合平面磨床控制要求的控制系統(tǒng)，不僅能滿足各種控制要求，而且還融入大量的故障報警信息提示，為磨床操作、維護維修提供可視化的平臺。

1 平面磨床控制系統(tǒng)總體方案

1.1 平面磨床工作過程及技術要求

平面磨床的工作過程為在工作臺上裝夾好工件，首先根據工件X軸、Y軸方向的尺寸設定左右運動和前后運動的行程，然后進行對刀操作，對刀完成后即可進行手動和自動磨削。根據企業(yè)用戶要求，精密數控磨削系統(tǒng)應能到達以下技術要求：粗磨量設定范圍為0～999μm，粗磨單次進刀設定范圍為0～99μm，精磨量設定范圍為0～99.9μm，精磨單次進刀設定范圍為0～9.9μm，空磨次數為0～9次，退刀距離為0～50mm，Y軸前后單次進給行程為0～30mm，Z軸最快速度為3mm/s。

1.2 平面磨床控制系統(tǒng)總體設計

根據平面磨床的生產工藝要求，平面磨床主要有X軸方向的左右運動、Y軸方向的前后運動和Z軸方向的上下運動三個方向的動作。由于平面磨床在工作過程中左右運動平穩(wěn)性及調速性能要求較高，所以左右運動選擇液壓系統(tǒng)驅動，前后運動考慮踩點方便控制選擇伺服驅動，Z軸方向的上下運動關系到磨床的加工精度，要求較高，所以采用伺服系統(tǒng)進行驅動，Y軸和Z軸選擇光柵尺進行精確位置檢測，帶動砂輪機的主軸需要有調速功能，選擇變頻調速系統(tǒng)進行驅動。本系統(tǒng)現場操作層采用PLC控制系統(tǒng)對液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進行控制，應用觸摸屏連接PLC對平面磨床進行自動控制和監(jiān)視，利用MCGS組態(tài)軟件完成人機界面的設計，使界面布局合理、操作簡單容易上手。平面磨床控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 平面磨床控制系統(tǒng)總體方案

2 平面磨床控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 橫向液壓系統(tǒng)設計

由于平面磨床X軸方向運行過程中換向頻繁、平穩(wěn)性、可靠性要求較高，所以采用液壓系統(tǒng)進行驅動。平面磨床的液壓系統(tǒng)主要由油箱、過濾網、油壓泵浦、馬達、安全閥、壓力表、回油管、流量閥、三位四通電磁換向閥和油缸等組成，液壓原理圖如圖2所示。油缸拖動工作臺左右運動，三位四通電磁換向閥主要用來改變油路方向，切換工作臺左右運動的方向[2]。為使得流量方便可調便于控制，節(jié)約成本，液壓系統(tǒng)中配置了手動流量調節(jié)閥。在工作臺的左右位置各安裝2個電感式接近開關用于感應工作臺左右移動的換向位置，通過調節(jié)工作臺上的兩個左右調距滑塊就可以調節(jié)左右行程。手動控制方式下，在觸摸屏上啟動液壓馬達，按下左行、右行按鈕分別控制電磁換向閥兩個線圈來控制磨床的左右運動。

2.2 平面磨床的電氣控制設計

平面磨床的電氣控制原理圖如圖3所示[3]，整個電氣控制系統(tǒng)硬件主要由左右液壓馬達、主軸電機、前后伺服電機、上下伺服電機、變頻器、PLC、高速計數模塊、光柵尺、觸摸屏、接近開關、中間繼電器、接觸器、開關電源等組成。

在本系統(tǒng)中觸摸屏選用北京昆侖通態(tài)的TPC7062K，與PLC通過編程電纜進行通訊連接，用于發(fā)送主令信號和監(jiān)控平面磨床的運行情況。綜合考慮到PLC要處理光柵尺信號以及發(fā)送伺服高速脈沖，系統(tǒng)選用FX3U-48MT作為主控單元，采集處理各傳感器信號，控制磨床的液壓系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，PLC通過處理大量的數據，完成磨床的工藝過程。在選擇光柵尺時，主要從光柵的精度及與控制器接口信號的匹配方面來考慮。為滿足平面磨床的精度要求，Z軸配置了0.1μm精度的光柵尺，Y軸配置了1μm精度的光柵尺，從與PLC信號匹配方面考慮，光柵尺選擇了24V集電極開路輸出信號。由于磨床運行中Z軸最快速度為v=3mm/s，對應光柵尺發(fā)出的脈沖頻率f=30kHz，而FX3U-48MT本體自帶2路高速脈沖輸入信號，可以實現單相最高100kHz的高速計數，雙相50kHz的高速計數，因此PLC本體自帶的高速輸入端子即可滿足Z軸和Y軸在運行過程中采集光柵信號的需要。

圖2 磨床液壓系統(tǒng)原理圖

圖3 電氣控制原理圖

在控制系統(tǒng)中PLC通過控制中間繼電器來對系統(tǒng)的各個電機、變頻器、伺服驅動器、電磁閥等進行控制。系統(tǒng)的輸入信號主要是平面磨床移動的接近開關限位信號，主要包括左行限位、右行限位、上行限位、下行限位，前行限位、后行限位。系統(tǒng)的輸出信號主要是平面磨床液壓系統(tǒng)的油泵電機的啟停、左右換向電磁換向閥、主軸電機啟停，變頻器的正轉端子、多段速端子?？刂葡到y(tǒng)中選用了臺達變頻器VFD037V43A對主軸電機進行變頻驅動，通過FWD端子實現電機正轉啟動，通過多段速端子實現多種速度的切換。

2.3 平面磨床的伺服驅動系統(tǒng)

為保證平面磨床的加工精度，Y軸和Z軸方向采用伺服系統(tǒng)進行驅動，采用松下的伺服驅動器MADHT1507E，伺服接線原理如圖4所示。線路安裝完成后還需要根據傳動比、絲杠導程對伺服驅動器的控制模式、指令脈沖方式、電子齒輪等參數進行合理設置[4]。

圖4 伺服驅動器接線原理圖

3 平面磨床的軟件設計

平面磨床的軟件開發(fā)主要包括人機界面的設計和PLC程序開發(fā)兩部分。

3.1 人機界面的設計[5]

人機界面設計在MCGS組態(tài)軟件下完成，設計內容主要包括創(chuàng)建人機互動界面、創(chuàng)建與PLC狀態(tài)數據進行通訊的數據信息等。人機界面設計有歡迎界面、主操作界面和故障報警界面。觸摸屏主操作界面如圖5所示，故障報警界面如圖6所示。通過觸摸屏操作人員可方便地對設備進行操作、修改磨削參數，也可實時監(jiān)控平面磨床的運行情況。進入主操作界面可以對平面磨床進行手動和自動控制，在手動模式下能控制磨床X軸、Y軸、Z軸的點動運行，還可以進行Z軸和Y軸的加速減速控制，在自動模式下能根據工藝要求實現磨床的自動運行。進入故障報警界面，可以實時監(jiān)控磨床的故障點，主要有主軸過載、油壓過載、切削液過載、Y軸電機過載、Z軸電機過載、潤滑油低位報警、踩點錯誤報警等，當發(fā)生某種故障后對應的指示燈會閃爍報警，大大方便了操作人員和維修人員快速發(fā)現并排除故障點，提高工作效率。

圖5 觸摸屏主操作界面

圖6 觸摸屏故障報警界面

3.2 PLC程序設計[3-6]

利用GXDeveloper軟件開發(fā)PLC程序，PLC程序主要包括兩部分。第一部分是主程序，主程序主要是手動程序和自動程序，手動程序和自動程序的切換通過CJ跳轉指令來實現，手動程序主要是對平面磨床的點動控制，主要包括液壓系統(tǒng)油泵電機的啟停、X、Y、Z軸的點動運行，變頻器驅動主軸電機啟停和多段速運行、冷卻液啟停，伺服電機帶動砂輪的上下運動等，自動程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、按照工藝過程自動完成粗磨、精磨、退刀等工藝。第二部分是與觸摸屏通訊的子程序，子程序主要是讀取觸摸屏參數界面設置的參數并進行相關計算、處理磨床的異常報警情況。PLC控制流程圖如圖7所示[7]。

圖7 PLC控制流程圖

4 結論

平面磨床控制系統(tǒng)通過使用FX3U-48MT型PLC作為現場核心控制單元，利用MCGS組態(tài)軟件設計了面向用戶的人機互動操作界面和監(jiān)控界面，錯誤報警界面融入大量的故障報警信息提示，為平面磨床的操作、維護維修提供可視化的平臺，大大提高了平面磨床的自動化、智能化水平。實踐證明，該控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)、控制精度高，后期維護及個性化改造也比較方便，可滿足客戶的需要與市場的需求。

[1]管懷蓉.數控平面磨床的電控設計[J].機電技術，2010，（5）：73-75.

[2]吳金林，張立新，喻俊志，等.雙變量施肥液壓調速系統(tǒng)的設計及仿真[J].機床與液壓，2014，42（5）：80-84.

[3]三菱FX3U用戶手冊[Z].日本：三菱公司，2005.

[4]彭程.基于伺服電動機的硅鋼片橫剪線自動控制系統(tǒng)設計[D].濟南：山東大學，2013.

[5]MCGS組態(tài)軟件使用手冊[Z].北京：北京昆侖通態(tài)自動化軟件有限公司，2011.

[6]陳啟俊，黃衛(wèi)星.光柵尺和PLC在高速精密液壓機上的應用[J].機電工程技術，2006，35（7）：53-54.

[7]劉捷.基于PLC觸摸屏與PLC在龍門刨床中的應用研究[J].機床與液壓，2014，（10）：200-205.

The Development and Design of the Control System of NC Plane Grinder

LIANG Shenglong1, LIAO Guibo1, DONG Wei1, SHI Zaisheng2
(1.Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai, 519090；2.Zhuhai hyfair Pml Precision Mechanism Co.,Ltd, Zhuhai 519090)

Taking PLC FX3U-48MT as the core controller, the control system of precision surface grinder is designed with the touch screen of Kunlun. The hardware composition and software design of precision plane grinding machine are introduced in detail. The humanized design of man-machine interface, into a large number of fault alarm information, for grinding operation and maintenance to provide a visual platform for maintenance, greatly improving the automatic and intelligent level of surface grinder. Practice has proved that the control system running smoothly, high control precision, to meet the needs of customers and market demand.

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