直线滚动导轨体的生产须经拉伸、成型、热处理、初加工等工艺,最后一道工艺是直线导轨4个圆弧形沟道及安装基面的初磨、精磨。为保证四沟道之间相对位置的精度及各沟道与基面相对位置的精度,要求4个圆弧形沟道及安装基面的加工应同时进行。而为满足磨削加工各面的高精度与率,必须对加工用成型砂轮进行在线修正。

        因此,导轨磨床的精度、性能的优劣对直线滚动导轨体的成功生产起着至关重要的作用。

        1　机械结构

        采用龙门式结构,在龙门横梁正面分别安装左、右立式磨头大拖板,左磨头加工直线导轨的左上、左下两圆弧形沟道,右磨头加工直线导轨的右上、右下两圆弧形沟道,而左右磨头金刚砂轮修正器的小拖板则安装在大拖板上;龙门横梁背面用于安装磨削基面的卧轴沙轮大拖板,同样,卧轴砂轮小拖板附于大拖板上,可磨削宽度15～85mm。所有磨头和滚轮座的进给运动均由交流伺服电机拖动滚珠丝杆和直线滚动导轨副来实现。工件通过组合夹具安装于龙门下方的工作台上部中央,工作台面的往复运动由液压拖动, 可磨削导轨体的最大长度4300mm。可以进行数控全自动磨削循环。相关参数和性能指标如表1所示。

        2　电气硬件设计

        根据设计要求,数控系统必须具备7个直线控制轴,分别控制左右立式磨头沙轮、左右金刚滚轮、后卧式磨头砂轮、后金刚滚轮及卧式磨头的横向移动,相应地定义为X, Y, Z, U, V,W, Q。X - U, Y - V,Z - W 须联动,这样,在砂轮磨损后仍能边加工边修正而不影响精度和光洁度,即在线修正,所有轴控制分辨率0. 001mm。经过调研,决定采用进口A - B公司数控系统。

        A-B公司的数控系统主要有8400, 8200, 8600三大系列,控制轴数分别是6, 12, 16;最多联动轴数依此为6, 10, 16轴; 8200最符合要求,但价格昂贵,其系统+驱动+电机就超过机床总价的50%多,将严重亏损。因此,为控制成本又满足功能要求,势必另辟捷径。

        考虑到卧式磨头横向运动Q轴与其它六轴相对独立,且只有在加工特殊超宽规格的导轨体时才应用,使用频率较低, 精度也不需太高, 其情况有些类似于普通平磨的工作台横向间隙进给移动。首先能想到的是将Q 轴、X (或除Z 轴外其它5 轴中的任意一轴)轴合而为一, 两者的伺服电机功率均是0.8kW,可以用同一伺服模块驱动,当卧式磨头需要横向移动时,将X 轴电机所有插座插入Q轴,实现Q轴的数控,当然,此时X 轴将不能运动, 无法实现导轨体3个面的同时加工。显而易见, 此时机床的工作效率和自动化程度都将大大降低。其次, 以工作台纵向运动换向开关信号控制卧式磨头横向移动,但需在立柱一侧加装一套复杂机械装置, 控制每一次横向移动量,机床是数控和手动的结合,横向运动若无法纳入数控的控制范畴, 是难以令人满意的。如果有一单轴控制系统,通过某种通讯方式将数控系统中编程的Q轴指令传递给该系统, 可用两套系统实行一台床子的控制,问题就解决了。

        A-B公司PLC子公司本身就生产运动控制模块,用于某些PLC应用中需要位置控制的场合。它与数控系统的相同之处是两者对运动轴的控制都通过伺服驱动、伺服电机来实现,都带有光电编码反馈接口;不同的是运动控制模块不带显示,位移量的大小全由与之配套的PLC来控制。如前所述, Q 轴控制较简单,用SLC500作为PLC, 18点输入, 12点输出;运动模块选用IMC110。简化为:

        CNC←→ I/O←→SLC500←→IMC110即在原来CNC梯形图基础上增加与SLC500接口相连的信息处理,主要包括:运动量、运动方向、使能、起动信号、回参考点命令及运动到位、报警等。CNC对IMC110的控制命令通过M码的方式实现,而Q轴位置通过A - B 8400的变量显示区在屏幕右上角动态显示。系统连接简图如图1所示。

图1　系统硬件连接简图

        Q轴控制是在原六轴数控系统基础上实现的,CNC对Q轴的控制通过I/O口实现,主板接口与结构不必作任何修改;A - B的驱动是公共电源模块下的抽屉式框架结构,每个电源模块机架最多可带四轴驱动,故从图1中可知,实现Q轴控制需要添加的主要设备有:

        (1) 1块带8点输入, 16点输出的直流I/O接口板;

        (2) 1个0. 8kW伺服放大模块;

        (3) 1台1326型AB - A2E - 210. 8kW3000 r /min交流伺服电机及2500线光电编码器;

        (4) 1台1747 - L30C - SLC500 可编程控制器;

        (5) 1只1746 - HS IMC110运动控制器。

        3　软件设计

        第七轴的控制已经全部纳入CNC数控范畴;而数控系统对该轴的控制全部通过CNC I/O的开关量来传递,共有21点: 16点输出/5点输入。各点定义如表2所示。.

        其中0-57～0-64 为CNC→SLC500 的数据传输接口。

        卧轴砂轮移动量的大小由加工工艺决定,主要取决于砂轮的宽度、工件的大小等,一般每批工件的自动磨削加工只需设置一次,其值以参数的形式设置,存放于参数表的常变量栏中,用十进制数表示,以μm为单位。本例将之置于A015,它可以被PLC梯形图程序读取(只读) 、处理后输出到SLC500。按机械工艺要求, 最大移动量为32mm, 即A015 ≥32000时, PLC发出提示信息:值超出范围,请重设。常变量只对正数输入有效,其运动方向需要单独控制。

        众所周知,数控加工编程由G码决定控制轴的运动,但本机Q轴已超出CNC的范围。既然以PLCI/O传递Q轴信息,就可以用M码实现CNC加工程序对Q轴控制。如表3所示。

        机床的回零次序依此为: X, Y, Z, U, V, W, 在CNC下达回零指令后,通过SLC500指示IMC - 110执行Q 轴回零。与此同时, PLC等待回零脉冲的出现,如果在规定的时间(本机15 s)内回不到零,则PLC报警并急停。

Q轴回零完毕后, PLC只有在执行M53或M54后才激活VAR IABLE MESSAGES报警显示,但不会影响机床的正常运行,此信息将一直显示至机床关机,并根据加工程序执行M53、M54及SLC500的应答情况动态刷新。

        在用M52执行Q轴移动量的传输时,应人为地将A015分成整数与小数两部分,借鉴数控系统控制伺服驱动的原理,引入了使能与应答信号,确保每次传输均能在CNC的监控下进行。当然, A015 是十进制,需要将整数与小数分别转化成二进制数,相应的位通过O - 57～O - 64传递。

        SLC500的程序编制相对比较简单,其核心是将接收到的数据还原成十进制,并根据丝杆螺距等转化为脉冲数量,而脉冲数量最终以宽脉冲的形式输入至IMC110。Q轴的加、减速度,运动速度,位置环增益及脉宽与移动量的关系等参数,通过IMC110手持终端调试、设置。所以,每批超宽规格的导轨体,只需设置一次A015参数,执行一次M52,以后Q 轴的往复横向移动,只要在加工程序中编入M53 或M54即可。而对普通规格的导轨体,机床回零完毕后,Q轴一般不需要移动,因而屏幕上看不到Q 轴的信息。

        4　结论

        由运动模块组成的控制轴,结构简单,可靠性高,成本低廉,操作简便,取得了良好的经济效益和社会效益。控制轴的精度:最小可显示1μm,在运动模块参数设置合理的前提下,重复定位精度一般能达10μm以内。

        设计中不需更改CNC硬件,通过对系统资源的合理应用,巧妙地将运动模块纳入CNC的控制范畴,运动模块组成的轴与其它轴一样可以回零、显示,并通过加工程序的编制而自动完成直线或回转运动。