李遠(yuǎn)哲，廖小亮，楊莉，賀響清

（武漢寶德機(jī)電有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430080）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)的快速變化，給機(jī)床再制造（machine tools rebuild）行業(yè)帶來(lái)機(jī)遇，也帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。機(jī)床再制造的產(chǎn)品必需不斷滿足更高的要求，比如普通機(jī)床改造不僅要求恢復(fù)精度，而且需要增加數(shù)控功能等。讓廢舊的機(jī)床設(shè)備，生產(chǎn)機(jī)械，通過(guò)改造重新投入使用，這已成了當(dāng)前循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的一個(gè)重要課題。本文中論述的雙輪磨床改造就是這樣一個(gè)例子。該設(shè)備是一臺(tái)上世紀(jì)早期FARREL 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，我們的用戶作為二手設(shè)備買進(jìn)后，希望將該設(shè)備改造成加工造紙機(jī)軋輥的專用數(shù)控磨床，提高設(shè)備的加工精度和效率。

雙輪磨床數(shù)控化改造是一個(gè)機(jī)電一體化工程，需要將原來(lái)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)鏈改造成便于數(shù)控的新傳動(dòng)鏈，將原來(lái)用機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)的軋輥曲線磨削，改造成由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的軋輥曲線磨 削。在這個(gè)改造項(xiàng)目中，由于雙輪磨床有兩套砂輪架，共有五臺(tái)伺服電機(jī)需要同步控制，所以我們選用了西門子的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)SIMOTION[4]作為設(shè)備的控制平臺(tái)。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)SIMOTION 把傳統(tǒng)的邏輯控制（PLC），伺服運(yùn)動(dòng)控制和曲線加工工藝等各種功能集成到了一起，對(duì)于含有多軸復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制項(xiàng)目而言，應(yīng)用SIMOTION 作為開發(fā)平臺(tái)可以簡(jiǎn)化工程開發(fā)與調(diào)試時(shí)間。在本系統(tǒng)中，每個(gè)數(shù)控進(jìn)給軸均由S120 驅(qū)動(dòng)器+1FT6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)[3]組成，利用SIMOTION 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的電子凸輪取代原來(lái)的機(jī)械凸輪控制，化解了軸與軸之 間復(fù)雜的同步關(guān)系，通過(guò)西門子公司的HMI 人機(jī)界面，用戶只需選擇曲線類型，填寫相關(guān)參數(shù)，即可完成完成各種曲線磨削加工，這是普通經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)所難于做到的。由于系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)分布式分站結(jié)構(gòu)，將雙輪磨床的上百個(gè)輸入/輸出（I / O）點(diǎn)和磨床 兩側(cè)操作站的HMI 人機(jī)控制界面連接在一起，既可以降低布線數(shù)量，減少人工安裝成本，又可以減少故障點(diǎn)，便于以后的維護(hù)、檢修及故障排查。

下面我們將通過(guò)對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)運(yùn)行效果的描述，介紹我們對(duì)SIMOTION 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用體會(huì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 雙輪軋輥磨床和系統(tǒng)總體布局

雙輪磨床具有兩個(gè)磨削工位：一個(gè)是磨削砂輪（6），對(duì)軋輥（5）進(jìn)行磨削加工，另一個(gè)砂帶輪（19）驅(qū)動(dòng)砂布帶運(yùn)動(dòng)，對(duì)軋輥進(jìn)行精磨和表面拋光處理，能夠提高軋輥的光潔度，使加工的軋輥精度更高。兩個(gè)磨架安裝在一個(gè)大滑架（12）上，其外形如圖1 所示。

圖1 雙輪磨床外形結(jié)構(gòu)示意圖

為了便于描述，根據(jù)圖1 作如下定義：大滑架運(yùn)行的方向?yàn)閆軸，砂輪進(jìn)給磨削的方向?yàn)閄軸方向，進(jìn)給范圍為±300 mm；U軸是替代原來(lái)的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)將磨架尾部抬起，實(shí)現(xiàn)砂輪（6）向工件（5）趨近的微進(jìn)給，在本設(shè)備中微進(jìn)給范圍為±3 mm；砂帶輪（19）的控制與砂輪（6）的控制基本一致，所以，我們下面主要介紹砂輪進(jìn)給的控制情景。

雙輪磨床控制系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 雙輪磨床控制系統(tǒng)框圖

主站選用Simotion D435，主站地址是2；通訊采用了兩個(gè) PROFIBUS 總線段，DP1 和DP2。由于雙輪磨床的I/O 數(shù)量有上百個(gè)，所以使用了多個(gè)分站處理I/O 信號(hào)。

總線段DP1；站地址是7 的從站，主要用來(lái)控制主軸潤(rùn)滑液壓站、導(dǎo)軌潤(rùn)滑液壓站、砂輪冷卻水和磁性渣水分離器，進(jìn)行溫度，壓力，流量等I/O 點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和控制；8 號(hào)從站，主要用于磨削側(cè)砂輪直流電機(jī)的控制，本系統(tǒng)的直流調(diào)速器均采用的是西門子公司6RA70 裝置，通過(guò)通訊接口，可以監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，控制電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速；9 號(hào)從站，主要用于拋光側(cè)砂帶輪直流電機(jī)的控制；10 號(hào)從站，主要用于工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)控制，方法與8 號(hào)從站所述相同。

總線段DP2：3 號(hào)從站，主要用來(lái)控制磨削側(cè)各種機(jī)械動(dòng)作，如監(jiān)測(cè)和控制斷電保護(hù)液壓站的運(yùn)行，控制砂輪修磨裝置進(jìn)行砂輪修磨，X、U 軸是否碰參考點(diǎn)或碰極限開關(guān)等；5 號(hào)從站，則主要用來(lái)控制拋光側(cè)各種機(jī)械動(dòng)作，4 號(hào)從站接收磨削側(cè)控制站中人機(jī)界面 HMI 中的信息，6 號(hào)從站則接收拋光側(cè)控制站中人機(jī)界面HMI 中的信息，均能輸入?yún)?shù)，實(shí)時(shí)顯示加工參數(shù)和機(jī)床狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的邏輯結(jié)構(gòu)

SIMOTION 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)模塊化的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)軟件的開發(fā)更方便，模塊化的程序設(shè)計(jì)也使應(yīng)用與維修人員更容易理解讀懂程序、維護(hù)與更新程序。在雙輪磨床的數(shù)控化改造中，我們把程序分為5 個(gè)主要模塊：1）數(shù)據(jù)傳輸、處理；2）任務(wù)調(diào)用；3）狀態(tài)監(jiān)控；4）運(yùn)動(dòng)子功能；5）邏輯子功能。

模塊功能描述如下。

數(shù)據(jù)傳輸處理：這個(gè)模塊主要完成 I/O 傳輸、機(jī)床狀態(tài)、報(bào)警信號(hào)，人機(jī)界面中的加工參數(shù)、報(bào)警信息，還有部分?jǐn)?shù)據(jù)的運(yùn)算，如齒輪比、進(jìn)給倍率、主軸倍率、設(shè)定值的限幅等等，與程序中的變量進(jìn)行數(shù)值交換。

任務(wù)調(diào)用：這個(gè)模塊主要是運(yùn)動(dòng)子功能和邏輯子功能中子程序的調(diào)用。

狀態(tài)監(jiān)控：模塊運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、外部I/O、報(bào)警信號(hào)的處理等。

運(yùn)動(dòng)子功能：和運(yùn)動(dòng)相關(guān)的程序的集合，如：回參考點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)到起磨點(diǎn)，砂輪趨進(jìn)，端進(jìn)給，磨削循環(huán)，運(yùn)動(dòng)到結(jié)束點(diǎn)，手輪同步，主程序，刪除余程，復(fù)位任務(wù)，緊急回退等。

邏輯子功能：和機(jī)床相關(guān)的子程序的集合，如：驅(qū)動(dòng)使能，軸點(diǎn)動(dòng)控制，工件主軸控制，砂輪主軸控制，手輪控制，液壓潤(rùn)滑控制，冷卻，過(guò)濾器的控制等。

2.3 系統(tǒng)程序的執(zhí)行和調(diào)用關(guān)系

循環(huán)處理的任務(wù)：系統(tǒng)在工作時(shí)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)序循環(huán)調(diào)用和執(zhí)行各種子程序，比如循環(huán)監(jiān)測(cè)各種故障狀態(tài)，處理輸入、輸出數(shù)據(jù)，控制機(jī)床正常運(yùn)行等。

調(diào)用執(zhí)行的任務(wù)：當(dāng)系統(tǒng)得到新的控制指令時(shí)，會(huì)根據(jù)指令的性質(zhì)，調(diào)用相關(guān)子程序，如圖3 所示。

圖3 調(diào)用執(zhí)行的任務(wù)框圖

圖3 中，空心箭頭代表數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)心箭頭代表子程序的調(diào)用。

磨床自動(dòng)補(bǔ)償進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制的具體實(shí)現(xiàn)：主要通過(guò)對(duì)“運(yùn)行自動(dòng)程序”中“磨削工藝循環(huán)”子程序介紹，了解各數(shù)控線性軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

根據(jù)磨削加工工藝要求，砂輪進(jìn)給不僅要與Z 軸連鎖運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)曲線磨削而且還要求在磨削過(guò)程中補(bǔ)償砂輪磨削損耗及對(duì)工件安裝誤差進(jìn)行錐度補(bǔ)償，所以每個(gè)磨架安裝有兩個(gè)進(jìn)給軸X，U，這兩個(gè)軸都能與大滑架的軸Z進(jìn)行插補(bǔ)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)磨削工藝要求的各種進(jìn)給的控制。

X軸：它的位置運(yùn)動(dòng)由3 部分組成。

1）端進(jìn)給：在Z軸運(yùn)動(dòng)至曲線兩端暫停時(shí)進(jìn)行進(jìn)給，如圖4 所示，進(jìn)給量和是否進(jìn)給均可選擇。

圖4 端進(jìn)給軌跡圖

圖4 中①為Z軸軌跡，②為X軸軌跡。

2）錐度補(bǔ)償：當(dāng)工件安裝有偏差，或者工件表面有要求時(shí)，進(jìn)行錐度補(bǔ)償，這個(gè)位置運(yùn)動(dòng)使X軸與Z軸的運(yùn)動(dòng)建立了一個(gè)同步關(guān)系，由Z軸的位置可以確定X軸的位置，如圖5 所示。

圖5 帶錐度補(bǔ)償?shù)腦 軌跡圖

圖5 中①為Z軸軌跡，②為X軸端進(jìn)給，③為端進(jìn)給+錐度補(bǔ)償生成的曲線

3）手輪補(bǔ)償：當(dāng)機(jī)床在磨削過(guò)程中，操作人員可以通過(guò)手動(dòng)干預(yù)，對(duì)當(dāng)前位置進(jìn)行微調(diào)，這種情況下，使X軸與手輪也建立一個(gè)齒輪的同步關(guān)系，X軸跟隨手輪的運(yùn)動(dòng)，如圖6 中的⑤所示。

圖6 帶多種補(bǔ)償?shù)腦 軌跡圖

圖6 中①為Z軸軌跡，②為X軸端進(jìn)給，③為綜合生成的X軸實(shí)際進(jìn)給曲線，④為錐度補(bǔ)償，⑤為手動(dòng)補(bǔ)償。

在大部分的工作狀況下，這3 種位置運(yùn)動(dòng)是都需要的，我們要把這3 種運(yùn)動(dòng)作為位置設(shè)定值進(jìn)行疊加傳入X軸的命令緩沖區(qū)。圖6 是采用了SIMOTION 自帶的TRACE 記錄了X軸的位置運(yùn)動(dòng)和Z軸的運(yùn)動(dòng)的相關(guān)曲線圖。這3 個(gè)運(yùn)動(dòng)的疊加最終形成了X軸的位置運(yùn)動(dòng)曲線如圖6中的③所示。

U軸：它的位置運(yùn)動(dòng)由兩部分組成：

1）砂輪補(bǔ)償：在磨削過(guò)程中，砂輪的補(bǔ)償磨削才是主要的磨削方式，由于砂輪的磨削脫粒，它不同于錐度補(bǔ)償，它的運(yùn)動(dòng)方向是一直前進(jìn)的，補(bǔ)償作為一個(gè)位置的值，與Z軸之間是一個(gè)齒輪同步關(guān)系。如圖7 中曲線④所示；

2）凸輪同步：在這里，U軸與Z軸之間是一種函數(shù)關(guān)系，比如正弦函數(shù)、余弦函數(shù)或者是一組相關(guān)點(diǎn)集合組成的曲線，與機(jī)械凸輪相比，電子凸輪曲線的設(shè)置要靈活得多。如圖7 中②所示的是SIN 曲線的70°區(qū)間的一段。

圖7 中曲線③是砂輪補(bǔ)償④與凸輪曲線②疊加得到的運(yùn)行曲線。

圖7 帶砂輪補(bǔ)償?shù)纳拜哢 軸正弦進(jìn)給軌跡圖

圖7 中，①為Z軸運(yùn)動(dòng)軌跡，②為U軸基本坐標(biāo)系的凸輪運(yùn)動(dòng)，③為U軸實(shí)際值，④為U軸疊加坐標(biāo)系的砂輪補(bǔ)償。

在圖7 中可以看到，U軸基本坐標(biāo)系、疊加坐標(biāo)系和U軸實(shí)際值與Z軸的關(guān)系。至此，通過(guò)X軸、U軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)，擬合出磨頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。

磨削側(cè)、拋光側(cè)的運(yùn)動(dòng)方式基本一致。

2.4 數(shù)據(jù)處理與安全操作

在磨削中的各種工藝參數(shù)，可在磨削前通過(guò)HMI 人機(jī)界面進(jìn)行設(shè)置，如圖8 所示。

圖8 雙輪磨床參數(shù)設(shè)置界面圖

通過(guò)控制界面設(shè)定的參數(shù)必須經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理變成系統(tǒng)可以控制的參數(shù)，同時(shí)為了防止誤操作，機(jī)床的加工參數(shù)應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)是被限定的。比如，軸點(diǎn)動(dòng)速度，在加工時(shí)的軸運(yùn)行最大速度，砂輪轉(zhuǎn)速，工件主軸轉(zhuǎn)速，凸輪曲線的最大中高，砂輪磨削脫粒補(bǔ)償?shù)淖畲笾?，磨削端進(jìn)給的最大值等等。這些數(shù)值在輸入過(guò)大時(shí)，應(yīng)該被自動(dòng)限制在有效值范圍內(nèi)。

同時(shí)還要考慮到不當(dāng)?shù)募庸?shù)的設(shè)定的危險(xiǎn)，比如，Z軸循環(huán)移動(dòng)距離設(shè)置過(guò)?。◣譵m 或幾十mm）砂輪補(bǔ)償或凸輪高度卻設(shè)置過(guò)大（幾十絲的砂輪補(bǔ)償，幾mm 的錐度補(bǔ)償，幾mm 的凸輪高度），這樣的參數(shù)設(shè)置都是極其危險(xiǎn)的。當(dāng)系統(tǒng)檢查到類似的參數(shù)設(shè)置時(shí)，要求自動(dòng)停止運(yùn)行，同時(shí)在人機(jī)界面上給出提示信息。

為了便于加工，還需要考慮部分的加工參數(shù)在運(yùn)行中是可修正的，比如，軸運(yùn)行速度，砂輪轉(zhuǎn)速，工件主軸轉(zhuǎn)速，砂輪補(bǔ)償值，錐度補(bǔ)償值等。當(dāng)然，為了安全起見，也有部分的加工參數(shù)在運(yùn)行中是不可變動(dòng)的的，如，凸輪高度等。

2.5 安全與保護(hù)

這部分功能主要由“報(bào)警監(jiān)控”模塊完成，并可通過(guò)HMI 人機(jī)界面進(jìn)行顯示，如圖9 所示。

圖9 雙輪磨床報(bào)警參數(shù)顯示界面圖

“報(bào)警監(jiān)控”模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，如主軸油壓，油溫，油箱的油量，各交流輔助電機(jī)是否有過(guò)載。磨削，拋光的電機(jī)的電流是否在正常工藝要求范圍內(nèi)，若電流過(guò)大則表示進(jìn)刀量過(guò)大，有砂輪被憋住的危險(xiǎn)。在自動(dòng)磨削過(guò)程中，如果檢測(cè)機(jī)床出現(xiàn)了故障，這時(shí)侯系統(tǒng)能自動(dòng)刪除工作余程，復(fù)位任務(wù)，X軸緊急回退，并給出報(bào)警，保護(hù)機(jī)床和工件。如果在非自動(dòng)運(yùn)行狀況下檢測(cè)到故障信號(hào)，系統(tǒng)給出報(bào)警并禁止啟動(dòng)。

3 數(shù)控雙輪磨床運(yùn)行效果簡(jiǎn)介

雙輪磨床經(jīng)過(guò)機(jī)電一體化改造，實(shí)現(xiàn)了用戶要求的各項(xiàng)功能，圖10 是機(jī)床的工作圖片。

圖10 雙輪磨床改造后的加工現(xiàn)場(chǎng)圖片

圖11 是雙輪磨床X 軸工作時(shí)的電機(jī)特性曲線。

圖11 雙輪磨床X軸的電機(jī)動(dòng)態(tài)曲線

圖11a 中：①是速度給定指令，②是實(shí)際速度曲線，③是實(shí)際力矩。通過(guò)參數(shù)整定，電機(jī)在無(wú)速度超調(diào)的情況下反應(yīng)非?？?，圖11b 中：①是給定位置，②是實(shí)際位置，可以看到跟蹤是比較好的，本系統(tǒng)通過(guò)實(shí)際運(yùn)行調(diào)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足用戶的要求，通過(guò)中文顯示的操作界面，操作者能很好的進(jìn)行機(jī)床各項(xiàng)動(dòng)作的操作。

4 結(jié)論

綜上所述，采用Simotion 作為主控制器，可以大大減少多軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作量，用先進(jìn)技術(shù)對(duì)二手設(shè)備進(jìn)行再制造，能提高設(shè)備重復(fù)利用率，大大降低了資源的浪費(fèi)，有利于當(dāng)前國(guó)家倡導(dǎo)的兩型社會(huì)建設(shè)，意義重大。

［1］韓全立 自動(dòng)控制原理與應(yīng)用［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［2］彭瑜，何衍慶.IEC61131-3 編程語(yǔ)言及應(yīng)用基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］田宇.伺服與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，人民郵電出版社，2010.

［4］西門子公司.SIMOTION 系統(tǒng)和功能描述.