????????直線滾動導軌體的生產須經拉伸、成型、熱處理、初加工等工藝,最后一道工藝是直線導軌4個圓弧形溝道及安裝基面的初磨、精磨。為保證四溝道之間相對位置的精度及各溝道與基面相對位置的精度,要求4個圓弧形溝道及安裝基面的加工應同時進行。而為滿足磨削加工各面的高精度與率,必須對加工用成型砂輪進行在線修正。

????????因此,導軌磨床的精度、性能的優劣對直線滾動導軌體的成功生產起著至關重要的作用。

????????1　機械結構

????????采用龍門式結構,在龍門橫梁正面分別安裝左、右立式磨頭大拖板,左磨頭加工直線導軌的左上、左下兩圓弧形溝道,右磨頭加工直線導軌的右上、右下兩圓弧形溝道,而左右磨頭金剛砂輪修正器的小拖板則安裝在大拖板上;龍門橫梁背面用于安裝磨削基面的臥軸沙輪大拖板,同樣,臥軸砂輪小拖板附于大拖板上,可磨削寬度15～85mm。所有磨頭和滾輪座的進給運動均由交流伺服電機拖動滾珠絲桿和直線滾動導軌副來實現。工件通過組合夾具安裝于龍門下方的工作臺上部中央,工作臺面的往復運動由液壓拖動, 可磨削導軌體的最大長度4300mm。可以進行數控全自動磨削循環。相關參數和性能指標如表1所示。

????????2　電氣硬件設計

????????根據設計要求,數控系統必須具備7個直線控制軸,分別控制左右立式磨頭沙輪、左右金剛滾輪、后臥式磨頭砂輪、后金剛滾輪及臥式磨頭的橫向移動,相應地定義為X, Y, Z, U, V,W, Q。X - U, Y - V,Z - W 須聯動,這樣,在砂輪磨損后仍能邊加工邊修正而不影響精度和光潔度,即在線修正,所有軸控制分辨率0. 001mm。經過調研,決定采用進口A - B公司數控系統。

????????A-B公司的數控系統主要有8400, 8200, 8600三大系列,控制軸數分別是6, 12, 16;最多聯動軸數依此為6, 10, 16軸; 8200最符合要求,但價格昂貴,其系統+驅動+電機就超過機床總價的50%多,將嚴重虧損。因此,為控制成本又滿足功能要求,勢必另辟捷徑。

????????考慮到臥式磨頭橫向運動Q軸與其它六軸相對獨立,且只有在加工特殊超寬規格的導軌體時才應用,使用頻率較低, 精度也不需太高, 其情況有些類似于普通平磨的工作臺橫向間隙進給移動。首先能想到的是將Q 軸、X (或除Z 軸外其它5 軸中的任意一軸)軸合而為一, 兩者的伺服電機功率均是0.8kW,可以用同一伺服模塊驅動,當臥式磨頭需要橫向移動時,將X 軸電機所有插座插入Q軸,實現Q軸的數控,當然,此時X 軸將不能運動, 無法實現導軌體3個面的同時加工。顯而易見, 此時機床的工作效率和自動化程度都將大大降低。其次, 以工作臺縱向運動換向開關信號控制臥式磨頭橫向移動,但需在立柱一側加裝一套復雜機械裝置, 控制每一次橫向移動量,機床是數控和手動的結合,橫向運動若無法納入數控的控制范疇, 是難以令人滿意的。如果有一單軸控制系統,通過某種通訊方式將數控系統中編程的Q軸指令傳遞給該系統, 可用兩套系統實行一臺床子的控制,問題就解決了。

????????A-B公司PLC子公司本身就生產運動控制模塊,用于某些PLC應用中需要位置控制的場合。它與數控系統的相同之處是兩者對運動軸的控制都通過伺服驅動、伺服電機來實現,都帶有光電編碼反饋接口;不同的是運動控制模塊不帶顯示,位移量的大小全由與之配套的PLC來控制。如前所述, Q 軸控制較簡單,用SLC500作為PLC, 18點輸入, 12點輸出;運動模塊選用IMC110。簡化為:

????????CNC←→ I/O←→SLC500←→IMC110即在原來CNC梯形圖基礎上增加與SLC500接口相連的信息處理,主要包括:運動量、運動方向、使能、起動信號、回參考點命令及運動到位、報警等。CNC對IMC110的控制命令通過M碼的方式實現,而Q軸位置通過A - B 8400的變量顯示區在屏幕右上角動態顯示。系統連接簡圖如圖1所示。

圖1　系統硬件連接簡圖

????????Q軸控制是在原六軸數控系統基礎上實現的,CNC對Q軸的控制通過I/O口實現,主板接口與結構不必作任何修改;A - B的驅動是公共電源模塊下的抽屜式框架結構,每個電源模塊機架最多可帶四軸驅動,故從圖1中可知,實現Q軸控制需要添加的主要設備有:

????????(1) 1塊帶8點輸入, 16點輸出的直流I/O接口板;

????????(2) 1個0. 8kW伺服放大模塊;

????????(3) 1臺1326型AB - A2E - 210. 8kW3000 r /min交流伺服電機及2500線光電編碼器;

????????(4) 1臺1747 - L30C - SLC500 可編程控制器;

????????(5) 1只1746 - HS IMC110運動控制器。

????????3　軟件設計

????????第七軸的控制已經全部納入CNC數控范疇;而數控系統對該軸的控制全部通過CNC I/O的開關量來傳遞,共有21點: 16點輸出/5點輸入。各點定義如表2所示。.

????????其中0-57～0-64 為CNC→SLC500 的數據傳輸接口。

????????臥軸砂輪移動量的大小由加工工藝決定,主要取決于砂輪的寬度、工件的大小等,一般每批工件的自動磨削加工只需設置一次,其值以參數的形式設置,存放于參數表的常變量欄中,用十進制數表示,以μm為單位。本例將之置于A015,它可以被PLC梯形圖程序讀取(只讀) 、處理后輸出到SLC500。按機械工藝要求, 最大移動量為32mm, 即A015 ≥32000時, PLC發出提示信息:值超出范圍,請重設。常變量只對正數輸入有效,其運動方向需要單獨控制。

????????眾所周知,數控加工編程由G碼決定控制軸的運動,但本機Q軸已超出CNC的范圍。既然以PLCI/O傳遞Q軸信息,就可以用M碼實現CNC加工程序對Q軸控制。如表3所示。

????????機床的回零次序依此為: X, Y, Z, U, V, W, 在CNC下達回零指令后,通過SLC500指示IMC - 110執行Q 軸回零。與此同時, PLC等待回零脈沖的出現,如果在規定的時間(本機15 s)內回不到零,則PLC報警并急停。

Q軸回零完畢后, PLC只有在執行M53或M54后才激活VAR IABLE MESSAGES報警顯示,但不會影響機床的正常運行,此信息將一直顯示至機床關機,并根據加工程序執行M53、M54及SLC500的應答情況動態刷新。

????????在用M52執行Q軸移動量的傳輸時,應人為地將A015分成整數與小數兩部分,借鑒數控系統控制伺服驅動的原理,引入了使能與應答信號,確保每次傳輸均能在CNC的監控下進行。當然, A015 是十進制,需要將整數與小數分別轉化成二進制數,相應的位通過O - 57～O - 64傳遞。

????????SLC500的程序編制相對比較簡單,其核心是將接收到的數據還原成十進制,并根據絲桿螺距等轉化為脈沖數量,而脈沖數量最終以寬脈沖的形式輸入至IMC110。Q軸的加、減速度,運動速度,位置環增益及脈寬與移動量的關系等參數,通過IMC110手持終端調試、設置。所以,每批超寬規格的導軌體,只需設置一次A015參數,執行一次M52,以后Q 軸的往復橫向移動,只要在加工程序中編入M53 或M54即可。而對普通規格的導軌體,機床回零完畢后,Q軸一般不需要移動,因而屏幕上看不到Q 軸的信息。

????????4　結論

????????由運動模塊組成的控制軸,結構簡單,可靠性高,成本低廉,操作簡便,取得了良好的經濟效益和社會效益。控制軸的精度:最小可顯示1μm,在運動模塊參數設置合理的前提下,重復定位精度一般能達10μm以內。

????????設計中不需更改CNC硬件,通過對系統資源的合理應用,巧妙地將運動模塊納入CNC的控制范疇,運動模塊組成的軸與其它軸一樣可以回零、顯示,并通過加工程序的編制而自動完成直線或回轉運動。?