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[摘 要]文章以M224半自动内圆磨床为研究对象，采用“人机界面+PLC+交流伺服”的硬件实现方案，对磨床径向工作台（X轴）进行了数控化改造；采用PLC通讯控制变频器的方案实现了对砂轮主轴的控制；并且对工件主轴、冷却泵的原控制方案进行了改进。实际使用情况表明，改造后大大简化了机床的结构，提高了机床的定位精度，并使机床具有了良好的操作性能。
[关键词]内圆磨床 人机界面 数控改造
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0281-01
内圆磨床主要用于机械零件的内孔加工，是机械工业中的重要工艺装备。老式内圆磨床进给大多采用液压和机械联合进给模式，以M224半自动内圆磨床为例，该型号磨床是几十年前引进苏联技术生产的，整机结构十分复杂。八十年代按照国家淘汰高能耗电机要求，工厂对磨床电控系统进行了改造，用变频器取代了中频发电机组，降低了机床能耗，但机械结构改动较少并一直沿用至今。由于该磨床是计划经济时代的产物，而且有几十年的生产历史，所以国内用户相当庞大。近几年，很多M224磨床返厂大修，在当今机床数控化的大环境下，很多客户对磨床提出了数控化改造要求。
1、方案确定
M224磨床是由液压、机械、电气联合控制的半自动内圆磨床，具有手动、电感、塞规、定程四种测量方式，机床的所有动作靠三个电磁阀切换液压油路实现，电控线路是典型的继电接触控制线路。机床的纵向工作台由往复油缸驱动，通过行程开关、拨叉等位置的调节和控制变向实现机床的纵向往复；机床的径向工作台靠进给油缸驱动，进给油缸上部装有进给变速箱，通过齿条齿轮传递及凸轮机构实现机床的变速进给。
受机床床身结构限制，纵向工作台无法采用伺服驱动方案，因此保持原液压驱动方案不变。机床径向工作台上部的进给箱里面装配的零件多达70多个，是故障多发部位，而且进给箱结构紧凑，维修时很不方便，因此对径向工作台采用伺服驱动的控制方案改造。由于伺服系统具有很好的重复定位精度，本技术改造方案去掉了电感和塞规测量工作方式，仅保留了手动和定程（半自动）两种工作方式。
2、方案实施
2.1 PLC、人机界面选择
根据内圆磨床磨削加工的工艺特点，确定机床伺服系统脉冲当量为0.1 m。由于M224磨床最大磨削孔径为40mm，在磨削加工时砂轮与工件之间有超过20mm的空刀量，为了不影响加工效率，设计要求PLC的脉冲输出频率不低于100KHz。经选择采用了台达EH2系列可编程序控制器，该系列PLC内置200KHz高速脉冲输出模块、RS485通讯接口，具有直线/圆弧插补功能，最低脉冲输出频率为10Hz，配合导程为5mm的滚珠丝杠，径向工作台（X轴）最低运动速度为0.06mm/min，最高运行速度为1200mm/min，完全满足内圆磨床加工时的工艺要求。
选择台达A系列5.7”单色触摸屏作为人机界面，人机界面与PLC通过RS232接口相连，通过触摸屏可以输入各种磨削工艺参数，可以在屏上设计触摸按键以节省PLC输入点，可以实时显示磨床的工作状态。
2.2 工件主轴控制
工件轴通过一台0.55KW/1.1KW 双速三相异步电动机驱动，改造前通过操纵面板上上的LW6-3/B093万能转换开关切换高低速度。由于转换开关上有九对触点，时间一长容易出现触点间接触不良故障，导致电机缺相。改造后用两个接触器KM2、KM3代替万能转换开关，在新的操纵面板上设计一个三挡位转换开关SA1来切换高低转速。
2.3 砂轮主轴控制
M224磨床使用一台3.7KW 惠丰变频器驱动电主轴作为砂轮主轴，变频器型号为F1000-M0037T3B。改造前变频器装在电器柜外面，通过三线式端子控制变频器的启动和停止，通过变频器面板手动调整变频器输出频率。改造后重新设计了电器柜，将变频器装入电器柜内部，操作者不能直接接触到变频器面板。为了使操作者使用方便，改造后采用通讯方式控制变频器启动和停止 。变频器和PLC通过RS485通讯口相连，通过人机界面输入变频器工作频率，通过触摸屏上的触摸键控制变频器的启动和停止，在触摸屏上可实时显示变频器工作电流、电压、故障代码等参数。
2.4 冷却泵控制
改造前M224磨床只有一个冷却泵，冷却液经水阀后分为两路，一路给砂轮主轴冷却用，一路在磨削时冷却工件。由于两路共用同一个水箱，磨削产生的铁屑混入冷却液后，会造成砂轮主轴冷却水路堵塞而影响砂轮主轴的正常使用。改造后，取消水阀，增加了一个冷却泵，工件冷却水箱与砂轮主轴冷却水箱各自独立，互不干扰。
2.5 液压系统
改造前，M224磨床是靠三个电磁阀切换油路控制杠杆、修整器、行程阀、往复油缸、进给油缸等机构来实现工作台快速进退、往复，砂轮修整，粗进给，精进给和无进给磨（包括粗光磨和精光磨）。改造后，由于径向液压进给系统被伺服进给系统取代，相应的取消了进给电磁阀，而且堵住了机床配流板上进给油缸所接油路。这样处理之后，夹具液压松紧油路受到影响而不能使用。所以，对于使用液压夹具锁紧工件的机床必须另外加装一个电磁阀，控制夹具的松紧。电磁阀进油孔接在机床减压阀之后，出油孔接工件主轴箱的进油套。
2.6 绝对坐标系统构成
改造后的电控系统以台达DVP-32EH00T2可编程序控制器为控制核心，选用三菱MR-J2S-60A伺服驱动器、三菱HC-SFS52伺服电机构成伺服驱动系统。伺服电机编码器上采用了17位绝对位置编码器，分辨率达到131072脉冲/转，具有很高的精度控制能力。只要在伺服驱动器上加装电池，就能构成绝对坐标系统。绝对坐标系统接线图见图2。在系统联机时，要将PLC与伺服驱动器的电源输入设定为同时或伺服驱动器电源先启动，以免绝对位置数据传输异常导致伺服报警。
3、结束语
经过数控化改造后的M224半自动内圆磨床，轴重复定位精度在2 m以内，加工出的产品50件内的尺寸分散在15m以内。经湖北三环汽车方向机有限公司等单位使用，改造后机床性能稳定，操作方便，改造达到了预期效果。
参考文献
[1] 杨涛，王启江，康海霞，等，基于PLC绕线机控制系统设计[J]，组合机床与自动化加工技术，2009（8）：58-59
[2] 罗永顺，普通机床数控化改造设计中关键问题的研究[J]，机床与液压，2007（6）：193-195
[关键词]内圆磨床 人机界面 数控改造
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0281-01
内圆磨床主要用于机械零件的内孔加工，是机械工业中的重要工艺装备。老式内圆磨床进给大多采用液压和机械联合进给模式，以M224半自动内圆磨床为例，该型号磨床是几十年前引进苏联技术生产的，整机结构十分复杂。八十年代按照国家淘汰高能耗电机要求，工厂对磨床电控系统进行了改造，用变频器取代了中频发电机组，降低了机床能耗，但机械结构改动较少并一直沿用至今。由于该磨床是计划经济时代的产物，而且有几十年的生产历史，所以国内用户相当庞大。近几年，很多M224磨床返厂大修，在当今机床数控化的大环境下，很多客户对磨床提出了数控化改造要求。
1、方案确定
M224磨床是由液压、机械、电气联合控制的半自动内圆磨床，具有手动、电感、塞规、定程四种测量方式，机床的所有动作靠三个电磁阀切换液压油路实现，电控线路是典型的继电接触控制线路。机床的纵向工作台由往复油缸驱动，通过行程开关、拨叉等位置的调节和控制变向实现机床的纵向往复；机床的径向工作台靠进给油缸驱动，进给油缸上部装有进给变速箱，通过齿条齿轮传递及凸轮机构实现机床的变速进给。
受机床床身结构限制，纵向工作台无法采用伺服驱动方案，因此保持原液压驱动方案不变。机床径向工作台上部的进给箱里面装配的零件多达70多个，是故障多发部位，而且进给箱结构紧凑，维修时很不方便，因此对径向工作台采用伺服驱动的控制方案改造。由于伺服系统具有很好的重复定位精度，本技术改造方案去掉了电感和塞规测量工作方式，仅保留了手动和定程（半自动）两种工作方式。
2、方案实施
2.1 PLC、人机界面选择
根据内圆磨床磨削加工的工艺特点，确定机床伺服系统脉冲当量为0.1 m。由于M224磨床最大磨削孔径为40mm，在磨削加工时砂轮与工件之间有超过20mm的空刀量，为了不影响加工效率，设计要求PLC的脉冲输出频率不低于100KHz。经选择采用了台达EH2系列可编程序控制器，该系列PLC内置200KHz高速脉冲输出模块、RS485通讯接口，具有直线/圆弧插补功能，最低脉冲输出频率为10Hz，配合导程为5mm的滚珠丝杠，径向工作台（X轴）最低运动速度为0.06mm/min，最高运行速度为1200mm/min，完全满足内圆磨床加工时的工艺要求。
选择台达A系列5.7”单色触摸屏作为人机界面，人机界面与PLC通过RS232接口相连，通过触摸屏可以输入各种磨削工艺参数，可以在屏上设计触摸按键以节省PLC输入点，可以实时显示磨床的工作状态。
2.2 工件主轴控制
工件轴通过一台0.55KW/1.1KW 双速三相异步电动机驱动，改造前通过操纵面板上上的LW6-3/B093万能转换开关切换高低速度。由于转换开关上有九对触点，时间一长容易出现触点间接触不良故障，导致电机缺相。改造后用两个接触器KM2、KM3代替万能转换开关，在新的操纵面板上设计一个三挡位转换开关SA1来切换高低转速。
2.3 砂轮主轴控制
M224磨床使用一台3.7KW 惠丰变频器驱动电主轴作为砂轮主轴，变频器型号为F1000-M0037T3B。改造前变频器装在电器柜外面，通过三线式端子控制变频器的启动和停止，通过变频器面板手动调整变频器输出频率。改造后重新设计了电器柜，将变频器装入电器柜内部，操作者不能直接接触到变频器面板。为了使操作者使用方便，改造后采用通讯方式控制变频器启动和停止 。变频器和PLC通过RS485通讯口相连，通过人机界面输入变频器工作频率，通过触摸屏上的触摸键控制变频器的启动和停止，在触摸屏上可实时显示变频器工作电流、电压、故障代码等参数。
2.4 冷却泵控制
改造前M224磨床只有一个冷却泵，冷却液经水阀后分为两路，一路给砂轮主轴冷却用，一路在磨削时冷却工件。由于两路共用同一个水箱，磨削产生的铁屑混入冷却液后，会造成砂轮主轴冷却水路堵塞而影响砂轮主轴的正常使用。改造后，取消水阀，增加了一个冷却泵，工件冷却水箱与砂轮主轴冷却水箱各自独立，互不干扰。
2.5 液压系统
改造前，M224磨床是靠三个电磁阀切换油路控制杠杆、修整器、行程阀、往复油缸、进给油缸等机构来实现工作台快速进退、往复，砂轮修整，粗进给，精进给和无进给磨（包括粗光磨和精光磨）。改造后，由于径向液压进给系统被伺服进给系统取代，相应的取消了进给电磁阀，而且堵住了机床配流板上进给油缸所接油路。这样处理之后，夹具液压松紧油路受到影响而不能使用。所以，对于使用液压夹具锁紧工件的机床必须另外加装一个电磁阀，控制夹具的松紧。电磁阀进油孔接在机床减压阀之后，出油孔接工件主轴箱的进油套。
2.6 绝对坐标系统构成
改造后的电控系统以台达DVP-32EH00T2可编程序控制器为控制核心，选用三菱MR-J2S-60A伺服驱动器、三菱HC-SFS52伺服电机构成伺服驱动系统。伺服电机编码器上采用了17位绝对位置编码器，分辨率达到131072脉冲/转，具有很高的精度控制能力。只要在伺服驱动器上加装电池，就能构成绝对坐标系统。绝对坐标系统接线图见图2。在系统联机时，要将PLC与伺服驱动器的电源输入设定为同时或伺服驱动器电源先启动，以免绝对位置数据传输异常导致伺服报警。
3、结束语
经过数控化改造后的M224半自动内圆磨床，轴重复定位精度在2 m以内，加工出的产品50件内的尺寸分散在15m以内。经湖北三环汽车方向机有限公司等单位使用，改造后机床性能稳定，操作方便，改造达到了预期效果。
参考文献
[1] 杨涛，王启江，康海霞，等，基于PLC绕线机控制系统设计[J]，组合机床与自动化加工技术，2009（8）：58-59
[2] 罗永顺，普通机床数控化改造设计中关键问题的研究[J]，机床与液压，2007（6）：193-195