通用磨床砂轮修整器数控改造.pdf

68 第32卷第3期技术交流通用磨床砂轮修整器数控改造张 乐（西北轴承股份有限公司，宁夏 银川 750021）摘 要 主要介绍了磨床砂轮修整在整个磨加工过程中的重要性和老式修整器的数控改造的过 程。并说明选择西门子数控系统的原则及各项硬件相互之间的组装、设置及各部件的功 能介绍。关键词 控制系统 修整器 程序1 引言在现代的机械加工行业特别是在轴承加工行业中，磨床的使用率是相当高的。不论是老式的内圆磨床、外圆磨床、平面磨床还是现在的各种数控系统的磨床。磨床是各类金属切削机床中品种最多的一类，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、无心磨床等。外圆磨床是使用的最广泛的，能加工各种圆柱形和圆锥形外表面。磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。磨具指的就是砂轮，在磨加工过程中是通过砂轮的高速旋转（线速度可达35m/s）对轴承内外套进行磨加工。砂轮虽然有自锐特点，但由于磨钝后的磨粒不一定都能够自动脱落或崩裂，加上磨屑与粘连结合剂会堵塞砂轮孔隙，这样就会使砂轮失去或降低切削能力，所以砂轮工作一段时间后应进行修整。砂轮修整不及时或修整不好，加工工件的表面就会出现以下几种磨削痕迹：（1）现出现交叉螺旋线痕迹；（2）表面出现鱼鳞；（3）工作面拉毛；（4）工件表面出现烧伤痕迹；（5）表面粗糙度达不到要求等问题。在精密零件的磨削加工中，圆弧形面的磨削尤其是轴承外环内滚道和内环外滚道的磨削是一个技术难点，而砂轮的修整对磨削精度起着重要作用。传统的砂轮修整是通过金刚笔进行手工修整。但这种方法修整后的砂轮都会产生圆弧形状误差，影响加工后工件的形状精度。2 砂轮修整器功能介绍2.1 传统砂轮修整器的介绍工作原理：在修整砂轮时首先将修整器固定好，调作者简介：张乐（1981），男，助理工程师，主要从事电气自动化。整修整杆的位置，固定好金刚笔，将砂轮通过机床磨架摇到修整位置。调整微调螺丝的距离，开启液压站，通过按钮控制油缸两腔内液压油的流通方向，使活塞杆带动皮带运动。使修整杆做画圆运动，从而实现对砂轮的圆弧修整。在修整过程中需要通过多次手动切换换向，而且修整圆弧的半径还要不断的调整。修整过程不仅加大了操作者的劳动强度，而且修整过程中的圆弧半径值及修整速度不可控，修整后的砂轮表面较粗，不能满足轴承滚道的精加工要求。组成：底座、修整杆、拉伸油缸、传动皮带、皮带轮、金刚笔、固定螺丝、微调螺丝。（见图1）图1 传统砂轮修整器2.2 SINUMERIK802S 数控修整器的介绍工作原理：改造后的砂轮修整器，可实现对X轴、Z轴的独立驱动控制，可以进行直线、斜线、圆弧的修整。在修整过程中操作者只需要通过R参数的设置就可对圆弧半径值、修整过程中的速度、修整时的进刀量等进行控制。在砂轮的修整过程中不需要操作人员进行重复调整。此设备的使用降低了砂轮修整的表面粗糙度，满足了滚道精磨的工艺要求，减轻了劳动强度。固定螺丝微调螺丝金刚笔底座皮带皮带轮修整杆油缸 69 宁夏机械2010年第3期此砂轮修整器所采用的CNC控制系统（SINUMERIK 802Se），步进进给驱动装置（STEPDRIVE C）对步进电机进行控制。控制系统分辨率为0.001mm，控制系统通过RS232(X2)接口与计算机进行通讯，进行控制程序以及机床参数的传送。机床两进给轴采用步进电机驱动，步距角为0.36电源电压为185VAC/50Hz，电流为1.36A，由STEPDRIVE C 驱动器进行驱动控制。组成：SINUMERIK802S系统、控制电柜、机械部件（见图2所示）。图2 数控砂轮修整器3 控制系统的选型3.1 修整器使用SINUMERIK802S 系统的优点在对传统砂轮修整器的改造时，所使用的是西门子公司生产的SINUMERIK 802S控制系统。实际运用中有以下优点：（1）结构紧凑，高度集成于一体的数控单元、操作面板、机床操作面板和输入输出单元。（2）SINUMERIK 802S集成了所有的CNC，PLC，HMI，I/O 于一身，机床调试配置数据少，系统与机床匹配更快速、更容易。（3）简单而友好的编程界面，保证了生产的快速进行，优化了机床的使用。（4）操作面板提供了所有的数控操作，编程和机床控制动作的按键以及8英寸LCD显示器，同时还提供12个带有LED 的用户自定义键。工作方式选择(6 种)，进给速度修调，主轴速度修调，数控启动与数控停止，系统复位均采用按键形式进行操作。3.2 SINUMERIK802S 系统的组成集成式、紧凑型CNC控制器，配置8寸液晶显示器、全功能操作键盘、机床操作界面、驱动器和电机、步进驱动STEPDRIVE C/C+和五相混合式步进电机（见图3所示）。3.3 操作面板结构SINUMERIK802S具有集成式操作面板，分为三大区：LCD显示区、NC键盘区和MCP机床控制面板区域（见图4）。4 安装调试4.1 系统的安装调试系统的安装调试包括以下几个过程：（1）硬件模块的安装。图3 控制系统组成图4 SINUMERIK802S 操作面板（2）各种模块的连接以及机床输出输入的连接。（3）参数设置（PLC参数和轴参数）。（4）参考点逻辑调试，反向间隙补偿、软限位设定。（5）螺距误差补偿。4.2 各主要接口的连接4.2.1 RS232接口：在使用外部PC/PG与SINUMERIK 802S进行数据通讯或编写PLC程序时，使用RS232接口（见图5）。图5 RS232接口 注意：1）电缆两端插头金属壳体必须通过屏蔽网相互连通。2）通讯电缆的连接与断开，必须在断电状态下进行。4.2.2 手轮接口 X10通过手轮接口X10可以在外部连接两个手轮，X10有10个接线端子，引脚见表1。表1 X10接口引脚信号说明引脚信号说明1A1+手轮1 A相+6GND地2A1-手轮1 A相-7A2+手轮2 A相+3B1+手轮1 B相+8A2+手轮2 A相-4B1-手轮1 B相-9B2+手轮2 B相+5P5V+5Vdc10B2+手轮2 B相-4.2.3 高速输入接口：X20通过接线端子X20可以连接3个接近开关（见表2）。LCD显示NC键盘MCP区域接近开关BERO 1接近开关BERO2SQ1X轴限位开关Z轴限位开关SQ3X轴步进电机SQ2SQ5SQ4SQ6Z轴步进电机近接开关BERO 2Z轴步进电机X轴步进电机Z轴限位开关SQ3 SQ4 SQ6X轴限位开关SQ1 SQ2 SQ5近接开关BERO 1LCDNC Keys步进电机外部主轴驱动器步进驱动器MCP Area 70 第32卷第3期技术交流表2 X20接口引脚信号说明引脚信号说明1RDY1使能2.1*6HI_12RDY2使能2.2*7HI_13HI_1X轴参考点脉冲8HI_14HI_2Y轴参考点脉冲9N.C.5HI_3Z轴参考点脉冲10M24V地注意：参考点脉冲信号只能与802S有关，参考点脉冲来自接近开关（PNP型）有效电平为24Vdc。NC使能后，内部使能继电器触点闭合，既使能导通。4.3 PLC中I/O地址的分配802S系统在出厂时已经预装了“SAMPLE”-集成PLC应用程序，用户可以直接使用其内部的固化程序，只需要通过修改PLC机床参数，和I/O接口的设置即可实现对其功能的设定。数控砂轮修整器的PLC输入输出I/O地址见表3。表3 数控砂轮修整器的PLC输入输出I/O地址表序号地址号连接器脚号代号说 明位置号1I00X2003-2SB3紧急停止4/22I013SQ1X轴正限位4/23I024SQ2X轴负限位4/34I035SQ3Z轴正限位4/45I046SQ4Z轴负限位4/46I057SQ5X轴回参考点减速4/57I068SQ6Z轴回参考点减速4/58I079KA3驱动器准备好4/69I10X2004-2710X轴选择4/810I113711Z轴选择4/911I12471214/912I135713104/1013I1467141004/1014I157SB4进给保持4/1115I168SB5紧急退回4/1216I179SB6循环启动4/1217Q00X2005-2HL3机床故障指示5/218Q013HL4NC准备好指示5/319Q024HL5自动运行指示5/320Q035HL6进给保持指示5/421Q046HL7手摇有效指示5/422Q05723Q06824Q07925Q10X2006-226Q11327Q12428Q13529Q14630Q15731Q16832Q1794.4 NC参数调试NC参数主要包括802S的系统配置、参数设定、参考点逻辑调试、设定坐标的软限位及反向间隙补偿、旋转减控功能设置、丝杠螺距误差补偿、主轴参数调试等。下面就一些参数的设置进行说明。4.4.1 参考点调试SINUMERIK 802S系统的很多功能都建立在参考点的基础上，比如自动方式和MDA方式只有在机床返回参考点后才能进行操作；反向间隙补偿和丝杠螺距误差补偿也只有在返回参考点后才生效。因此，系统在正常工作之前首先要回参考点。由于步进电机本身不能产生编码器的零脉冲，所以通过安装接近开关为步进电机提供到位信号，辅助修整器完成返回参考点的工作。回参考配置：双开关方式在修整器X、Z轴导轨上装有有减速开关，在丝杠连接器上有一接近开关（丝杠每转产生一个脉冲）。该方式可以高速寻找减速开关，然后低速寻找接近开关。返回参考点的速度快且精度高。且接近开关还可以用作旋转监控。其中减速开关到位信号是DI/O的输入，接近开关信号则接到系统的高速输入口（X20）（见图6）。采用双开关方式时，参考点接近开关的机械安装图如图7。图6 接近开关示意图图7 步进电机与丝杠直联1）有减速开关，接近开关信号/零脉冲在减速开关之前：MD34050；REFP_SEARCH_MARKER_REVERS=0，遇减速开关后，反向寻找接近开关/零脉冲信号（见图8）。图8 脉冲信号示意图（前）2）有减速开关，接近开关信号/零脉冲在减速开关之后：MD34050；REFP_SEARCH_MARKER_REVERS=1，遇减速开关后，同向寻找接近开关/零脉冲信号（见图9）。信号接至X20信号接至PLC输入端丝杆检测体减速开关接近开关机床床身减 速 挡 块BERO-脉冲开始RKVPVCVMRV连接至X20接口步进电机近接开关（带LED）联轴节丝杠 71 宁夏机械2010年第3期 图9 脉冲信号示意图（后）4.4.2 设定坐标的软限位及反向间隙补偿设定软限位设定：在回参考点功能调试完成，参考点位置确定之后，应设置软限位。反向间隙设定：测试反向间隙，并进行反向间隙补偿（见表4）。表4 参数设定轴参数号参数名单位轴举例值参数定义36100POS_LIMIT-MINUSmmX,Y,Z,-1轴负向软限位值36110POS_LIMIT_PLUSmmX,Y,Z,200轴负向软限位值32450BACKLASHmmX,Y,Z,0.024反向间隙5 电柜设计及电器元件的选型5.1 电柜的设计1）由于西门子802S系统对工作电网要求很严格，不仅要保证系统的稳定供电，还要具有冷却或通风设施。再这里选择了进气窗口带防尘过滤网的风扇通风。所有部件都安装在无油漆的镀锌金属板上。2）接地方法遵守国标GB/T5226.1-1996“工业机械电气设备通用技术条件”。3）PE接地只能集中在一点，接地线截面积必须小于6mm2。电柜中24V支流稳压电源所需的220V交流电和802S步进驱动器STEPDRIVE C+所需的85V交流电源，必须采用独立的隔离变压器，变压器的初级不能从380V交流电源的同一相取电。用于24V稳压电源的变压器为控制变压器（300VAC220VAC），用于驱动器的变压器为驱动变压器（380VAC85VAC）。5.2 使用电气元件（见表5）6 应用程序举例在使用数控修整器进行圆弧修整时的修整程序（R参数见表6）：N002 G94 G22 R90=R7N004 G00 Z=-R1 F=R10N006 X=-R2 F=R10N008 IF R90=0 GOTOF ENDN010 MMM1：N012 G91 G01 X=-R3 F=R11N014 G03 X=-R4 Z=-R5 CR=R6 F=R12（逆时针修整）N016 R90=R90-R3N018 IF R90=0 GOTOF ENDN020 G91 G01 X=-R3 F=R11N022 G02 X=R2 Z=R1 CR=R6 F=R12（顺时针修整）表5 元件明细表序号电气代号名 称规格型号数量生产厂1CNC数控系统802SE1西门子2驱动系统STEPDRIVE C1西门子3TC隔离变压器输入380V输出85V1无锡变压器厂4TC控制变压器输入380V输出220V1无锡变压器厂5HCF手持脉冲单元HCF-M51西门子6QS1负荷开关12A1施耐德7QF1塑壳断路器15A1施耐德8QF双极开关5A1施耐德9QF单极开关4A1施耐德10SQ接近开关2施耐德11KA中间继电器312GS1开关电源1施耐德13SB按钮4施耐德14HL指示灯3施耐德15SB急停按钮西门子16SB紧急退回西门子N024 R90=R90-R3N026 IF R90=0 GOTOF ENDN028 GOTOB MMM1N030 END：N032 G90 G00 X=0 F=R10N034 G00 Z=0 F=R10N036 M02表6 R参数表名称作 用名称作 用R1Z轴方向修整位置R7总修整量R2X轴方向修整位置R10快进速度R3每次修整进刀量R11进刀时速度R4圆弧修整终点（X轴）R12修整圆弧时速度R5圆弧修整终点（Z轴）R90中间参数R6圆弧半径7 结论在进行通用磨床砂轮修整器数控改造过程中，本着从系统的整体方案和实际需求的目标，紧密联系工作的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中的问题，保证磨床在磨加工过程中快捷、可靠。改造后的砂轮修整器保证了砂轮修整的质量，提高砂轮的自锐性及修型能力，更好的满足生产的需要。参考文献：1 吴祖育，秦鹏飞.数控机床（第三版本）K.上海科学技术出版 社，2003.2 张立勋.机电一体化系统设计基础M.哈尔滨工程大学出版社，2006.3 美拉杰史密斯.电路、器件和系统K.人民教育出版社，1995.（收稿日期：2010-09-20）VPVMVCRVRK开始BERO-脉冲 减 速 挡 块