數控龍門磨床的電氣設計
2018-6-21 來源：太原第一機床廠技術中心 作者：王慧君
摘要：為適應較長零件的平面磨削，筆者設計了 MKZ 數控龍門磨床，分析了龍門磨床的基本結構，闡述了數控控制的進給運動原理，分別討論了各軸功能及控制系統選用和接口控制、工作臺主傳動控制、磨頭動作控制，指出該機床整體剛性好、磨削效率高、適用性強。
關鍵詞：數控系統；接口控制；龍門磨床；工作臺；磨頭
機床制造業是我國工業和國民經濟的發動機和心臟，隨著市場加工制造的需求，各種數控化機床應運而生。磨床是各類金屬切削機床中品種最多的一類，主要類型有外圓磨床、內圓磨床、平面磨床、無心磨床、工具磨床等。磨床的磨削技術發展很快，在機械加工與制造業中起著非常重要的作用。隨著高精度、高硬度機械零件數量的增加，以及精密鑄造機密鍛件工藝的發展，磨床的性能、品種和產量都在不斷地提高和增長。
由于數控能夠更好地實現機床工作的自動化、高效化，因此筆者對用于大型工件的平面磨削加工的 10 m 數控龍門數控磨床進行了電氣設計。數控系統主要用來控制磨床的垂直進給、水平進給、磨頭回轉運動以及一些其它的輔助功能。工作臺運動則采用觸摸屏，PLC 及伺服電機實現往復運動。
1、龍門磨床的基本結構
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構承受其重量和切削力，床身采用雙 V 型導軌，工作臺導軌面覆有耐磨聚四氟乙烯。變速機構，用于改變主運動的速度；進給機構，用于改進給量；主軸箱用以安裝機床主軸；磨頭；控制和操縱系統；潤滑系統；冷卻系統等。
工作臺運動一般由伺服驅動。拖板沿橫梁導軌作橫向運動，橫向進給伺服電機驅動。磨頭可沿拖板垂直導軌做上下移動，也可沿橫梁做左右移動。磨頭轉速變頻控制，最高以 3 000 r/min 運轉，也可做垂直工作臺 180°的回轉。各軸進給以及磨頭回轉全部由數控系統控制，控制精度高，操作方便。圖1 為機床外形圖。
圖 1 機床外形圖
2、 數控控制的進給運動
2.1 各軸功能及控制系統選用
數控進給機構包括伺服驅動部分、滾動單元、位置檢測單元等。由伺服電機通過聯軸器帶動滾珠絲杠轉動，從而帶動絲杠上的橫梁或溜板運動，橫梁上下移動為 Z 軸，溜板左右移動為 Y 軸，磨頭裝于橫梁的溜板上，通過 2 個軸的運動，即可實現砂輪的左右上下進給。需要將常規的 X 軸設為磨頭回轉軸并定義為 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 和通信任務集成于單一部件，免維護的PC 硬件集成了 PROFIBUS 接口用于驅動和 I/O 模塊并具有速裝結構的超薄操作面板，作為驅動系統分配獨立接口，因而各軸驅動功率獨立配置 。SIMATIC S7-200 的指令集可直接適用于機床。
2.2 接口控制
808D 數控系統的接口信號只用于控制 2 個進給軸 Y，Z 和 1 個磨頭回轉軸 A，輸入信號一共 3組，分別為：X100，X101 和 X102。具體定義見表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
數控控制輸出信號只有導軌潤滑、磨頭轉臺放松和磨頭運轉信號，其余機床動作均由西門子 PLC控制。
3 、工作臺主傳動控制
工作臺往復運動是磨削動作的重要環節，工作臺選用伺服電機拖動，伺服電機起動轉矩大，由于轉子電阻大，與普通異步電動機的轉矩特性曲線相比，有明顯的區別。它可使臨界轉差率 S0＞1，這樣不僅使轉矩特性 （機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉矩。因此，當給予定子控制電壓時，轉子立即轉動，即具有起動快、靈敏度高的特點。伺服電機運行范圍較廣，無自轉現象，正常運轉的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態，由于轉子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉的旋轉磁場與轉子作用所產生的兩個轉矩特性 （T1-S1、T2-S2曲線） 以及合成轉矩特性（T-S 曲線）。交流伺服電動機輸出功率一般為 0.1～100 W。當電源頻率為 50 Hz，電壓有 36 V，110 V，220 V，380 V；當電源頻率為 400 Hz，電壓有 20 V，26 V，36 V，115 V 等多種。交流伺服電動機有運行平穩、噪音小等優點。
選用觸摸屏連接伺服，伺服控制器通信參數設置好，用通信線連接。在觸摸屏中改變伺服電機的運行參數，分別用于切換到速度設定窗口、打開伺服、關閉伺服、啟動電機、停止電機和故障處理等。在屏幕上還要設置一個電機轉速元件，來顯示電機的實時速度，切換頁面上還添加了伺服準備好、伺服 ON、正轉、反轉、驅動器報警等運行狀態顯示元件，以實時顯示伺服驅動器的運行狀態。為了根據需要實現電機的正反轉，還用到了兩個置位開關，同時在控制頁面上還添加了一個保存參數的按鍵，用來保存設定的參數。控制頁面上所用元件的地址都是根據伺服驅動器手冊里的 Modbus 協議分配的地址來設定的。具體使用時可在觸摸屏上直接輸入需要磨削工件的長度，磨削所需的速度。圖 2 為觸摸屏設置畫面。
圖 2 觸摸屏設置畫面
4、 磨頭動作控制
磨頭每次旋轉時，蝸桿軸系必須松開，磨頭處于可旋轉狀態，磨頭松開，傳感器 SQ1 處于感應狀態，剎緊傳感器 SQ2 處于自由狀態。其中，SQ1 與SQ2 的型號為 QA-F-PK1Y （PNP 型 NO），工作電壓直流 10～36 V，工作電流 200 m A。磨頭旋轉只需松開確認信號，與鎖緊確認信號無關，而程序段結束信號輸出條件只有鎖緊確認信號，與松開確認信號無關。旋轉結束后，發信塊感應到剎緊傳感器發出剎緊信號，同時松開傳感器處于自由狀態。機床每日通電后需要回零，磨頭一旦旋轉，裝在磨頭上的回零發信塊感應傳感器 SQ3 確認零點位置。其中SQ3 的型號為 QA-F-PH1Y （PNP 型 NC），工作電壓直流 10～36V，工作電流 200 m A。圖 3 為控制時序圖。根據以上時序圖在數控系統編制 PLC 程序，使用時只需在數控系統輸入回轉角度及回轉速度即可實現磨頭回轉功能。
圖 3 控制時序圖
5、 結論
經試驗該機床精度高，穩定性好，響應快速，調速范圍寬，電機輸出轉矩大，能頻繁起動、制動以及正反轉切換，磨頭定位精準，磨削平穩，加工效率高，該控制技術可靠性高，具有推廣價值。
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