數(shù)控龍門磨床的電氣設(shè)計(jì)
2018-6-21 來(lái)源：太原第一機(jī)床廠技術(shù)中心 作者：王慧君
摘要：為適應(yīng)較長(zhǎng)零件的平面磨削，筆者設(shè)計(jì)了 MKZ 數(shù)控龍門磨床，分析了龍門磨床的基本結(jié)構(gòu)，闡述了數(shù)控控制的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)原理，分別討論了各軸功能及控制系統(tǒng)選用和接口控制、工作臺(tái)主傳動(dòng)控制、磨頭動(dòng)作控制，指出該機(jī)床整體剛性好、磨削效率高、適用性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；接口控制；龍門磨床；工作臺(tái)；磨頭
機(jī)床制造業(yè)是我國(guó)工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)和心臟，隨著市場(chǎng)加工制造的需求，各種數(shù)控化機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。磨床是各類金屬切削機(jī)床中品種最多的一類，主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面磨床、無(wú)心磨床、工具磨床等。磨床的磨削技術(shù)發(fā)展很快，在機(jī)械加工與制造業(yè)中起著非常重要的作用。隨著高精度、高硬度機(jī)械零件數(shù)量的增加，以及精密鑄造機(jī)密鍛件工藝的發(fā)展，磨床的性能、品種和產(chǎn)量都在不斷地提高和增長(zhǎng)。
由于數(shù)控能夠更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作的自動(dòng)化、高效化，因此筆者對(duì)用于大型工件的平面磨削加工的 10 m 數(shù)控龍門數(shù)控磨床進(jìn)行了電氣設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)主要用來(lái)控制磨床的垂直進(jìn)給、水平進(jìn)給、磨頭回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及一些其它的輔助功能。工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)則采用觸摸屏，PLC 及伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
1、龍門磨床的基本結(jié)構(gòu)
龍門平面磨床采用龍門式布局，通常由下列基本部分組成：支撐部件，用于安裝和支承其他部件和工件。由床身、雙立柱、橫梁組成封閉的剛性框架結(jié)構(gòu)承受其重量和切削力，床身采用雙 V 型導(dǎo)軌，工作臺(tái)導(dǎo)軌面覆有耐磨聚四氟乙烯。變速機(jī)構(gòu)，用于改變主運(yùn)動(dòng)的速度；進(jìn)給機(jī)構(gòu)，用于改進(jìn)給量；主軸箱用以安裝機(jī)床主軸；磨頭；控制和操縱系統(tǒng)；潤(rùn)滑系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)等。
工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)一般由伺服驅(qū)動(dòng)。拖板沿橫梁導(dǎo)軌作橫向運(yùn)動(dòng)，橫向進(jìn)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。磨頭可沿拖板垂直導(dǎo)軌做上下移動(dòng)，也可沿橫梁做左右移動(dòng)。磨頭轉(zhuǎn)速變頻控制，最高以 3 000 r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)，也可做垂直工作臺(tái) 180°的回轉(zhuǎn)。各軸進(jìn)給以及磨頭回轉(zhuǎn)全部由數(shù)控系統(tǒng)控制，控制精度高，操作方便。圖1 為機(jī)床外形圖。
圖 1 機(jī)床外形圖
2、 數(shù)控控制的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)
2.1 各軸功能及控制系統(tǒng)選用
數(shù)控進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括伺服驅(qū)動(dòng)部分、滾動(dòng)單元、位置檢測(cè)單元等。由伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲杠上的橫梁或溜板運(yùn)動(dòng)，橫梁上下移動(dòng)為 Z 軸，溜板左右移動(dòng)為 Y 軸，磨頭裝于橫梁的溜板上，通過(guò) 2 個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)砂輪的左右上下進(jìn)給。需要將常規(guī)的 X 軸設(shè)為磨頭回轉(zhuǎn)軸并定義為 A 軸，以便各角度的磨削加工，為此選用 SINUMERIK 808D 銑削版本，將所有 CNC，PLC，HMI 和通信任務(wù)集成于單一部件，免維護(hù)的PC 硬件集成了 PROFIBUS 接口用于驅(qū)動(dòng)和 I/O 模塊并具有速裝結(jié)構(gòu)的超薄操作面板，作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分配獨(dú)立接口，因而各軸驅(qū)動(dòng)功率獨(dú)立配置 。SIMATIC S7-200 的指令集可直接適用于機(jī)床。
2.2 接口控制
808D 數(shù)控系統(tǒng)的接口信號(hào)只用于控制 2 個(gè)進(jìn)給軸 Y，Z 和 1 個(gè)磨頭回轉(zhuǎn)軸 A，輸入信號(hào)一共 3組，分別為：X100，X101 和 X102。具體定義見(jiàn)表1～表 3。
表1 X100輸入口定義表
表2 X 101輸入口定義表
表3 X 102輸入口定義表
數(shù)控控制輸出信號(hào)只有導(dǎo)軌潤(rùn)滑、磨頭轉(zhuǎn)臺(tái)放松和磨頭運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，其余機(jī)床動(dòng)作均由西門子 PLC控制。
3 、工作臺(tái)主傳動(dòng)控制
工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)是磨削動(dòng)作的重要環(huán)節(jié)，工作臺(tái)選用伺服電機(jī)拖動(dòng)，伺服電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，由于轉(zhuǎn)子電阻大，與普通異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線相比，有明顯的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率 S0＞1，這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性 （機(jī)械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，當(dāng)給予定子控制電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有起動(dòng)快、靈敏度高的特點(diǎn)。伺服電機(jī)運(yùn)行范圍較廣，無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的伺服電動(dòng)機(jī)，只要失去控制電壓，電機(jī)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)失去控制電壓后，它處于單相運(yùn)行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩特性 （T1-S1、T2-S2曲線） 以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T-S 曲線）。交流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率一般為 0.1～100 W。當(dāng)電源頻率為 50 Hz，電壓有 36 V，110 V，220 V，380 V；當(dāng)電源頻率為 400 Hz，電壓有 20 V，26 V，36 V，115 V 等多種。交流伺服電動(dòng)機(jī)有運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。
選用觸摸屏連接伺服，伺服控制器通信參數(shù)設(shè)置好，用通信線連接。在觸摸屏中改變伺服電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，分別用于切換到速度設(shè)定窗口、打開(kāi)伺服、關(guān)閉伺服、啟動(dòng)電機(jī)、停止電機(jī)和故障處理等。在屏幕上還要設(shè)置一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速元件，來(lái)顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，切換頁(yè)面上還添加了伺服準(zhǔn)備好、伺服 ON、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、驅(qū)動(dòng)器報(bào)警等運(yùn)行狀態(tài)顯示元件，以實(shí)時(shí)顯示伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)。為了根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，還用到了兩個(gè)置位開(kāi)關(guān)，同時(shí)在控制頁(yè)面上還添加了一個(gè)保存參數(shù)的按鍵，用來(lái)保存設(shè)定的參數(shù)。控制頁(yè)面上所用元件的地址都是根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器手冊(cè)里的 Modbus 協(xié)議分配的地址來(lái)設(shè)定的。具體使用時(shí)可在觸摸屏上直接輸入需要磨削工件的長(zhǎng)度，磨削所需的速度。圖 2 為觸摸屏設(shè)置畫(huà)面。
圖 2 觸摸屏設(shè)置畫(huà)面
4、 磨頭動(dòng)作控制
磨頭每次旋轉(zhuǎn)時(shí)，蝸桿軸系必須松開(kāi)，磨頭處于可旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，磨頭松開(kāi)，傳感器 SQ1 處于感應(yīng)狀態(tài)，剎緊傳感器 SQ2 處于自由狀態(tài)。其中，SQ1 與SQ2 的型號(hào)為 QA-F-PK1Y （PNP 型 NO），工作電壓直流 10～36 V，工作電流 200 m A。磨頭旋轉(zhuǎn)只需松開(kāi)確認(rèn)信號(hào)，與鎖緊確認(rèn)信號(hào)無(wú)關(guān)，而程序段結(jié)束信號(hào)輸出條件只有鎖緊確認(rèn)信號(hào)，與松開(kāi)確認(rèn)信號(hào)無(wú)關(guān)。旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，發(fā)信塊感應(yīng)到剎緊傳感器發(fā)出剎緊信號(hào)，同時(shí)松開(kāi)傳感器處于自由狀態(tài)。機(jī)床每日通電后需要回零，磨頭一旦旋轉(zhuǎn)，裝在磨頭上的回零發(fā)信塊感應(yīng)傳感器 SQ3 確認(rèn)零點(diǎn)位置。其中SQ3 的型號(hào)為 QA-F-PH1Y （PNP 型 NC），工作電壓直流 10～36V，工作電流 200 m A。圖 3 為控制時(shí)序圖。根據(jù)以上時(shí)序圖在數(shù)控系統(tǒng)編制 PLC 程序，使用時(shí)只需在數(shù)控系統(tǒng)輸入回轉(zhuǎn)角度及回轉(zhuǎn)速度即可實(shí)現(xiàn)磨頭回轉(zhuǎn)功能。
圖 3 控制時(shí)序圖
5、 結(jié)論
經(jīng)試驗(yàn)該機(jī)床精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)快速，調(diào)速范圍寬，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，能頻繁起動(dòng)、制動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)切換，磨頭定位精準(zhǔn)，磨削平穩(wěn)，加工效率高，該控制技術(shù)可靠性高，具有推廣價(jià)值。
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