PLC在軸承磨床上的應用
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光洋電子(無錫)有限公司
1.引言:
隨著我國機械裝備、汽車工業等行業的快速發展，我們對軸承加工設備，尤其是高精度、高效率、高可靠性的軸承磨床需求量十分龐大。軸承，作為機械工業的基礎件，其加工設備的重要性非常突出。目前，我們國家的軸承加工設備相對存在加工精度差，重復精度不高、生產效率低的問題，生產的軸承和國外品牌有相當大的差距。以小型球軸承加工設備為例，有許多個體企業還在使用手工作業生產，這從側面說明了我們在設備的自動化控制方面還有許多工作要做。當然，軸承設備的機械加工精度要求很高，在此基礎上，設計一套優秀的自動控制系統及其控制軟件非常重要。筆者在參與某集團公司的新型軸承自動化生產線的研制過程中，引進光洋電子的伺服控制模塊，成功設計出了一套新的軸承磨床控制系統并完成系統軟件的設計。值的一提的是，光洋（KOYO）精工是日本的軸承生產龍頭企業之一，其軸承磨削的自動化控制確有其獨到之處。
2.工作原理及控制要求:
以RF-3MZ203小型軸承內圓磨為例，其機械結構的關鍵在于磨削進給機構，一般采用直線導軌和滾珠絲杠總成。加工時，工件（軸承套圈）高速旋轉，磨削進給機構控制砂輪精確運動，進行磨削加工。所以，磨削進給的控制精度十分重要，這里采用安川的全數字化交流伺服系統控制。
磨削進給機構示意圖如下
該磨床自動化控制的總體要求是
（1） 開關量輸入64點，開關量輸出24點。
（2） 采用伺服定位模塊控制安川的交流伺服系統。由于內圓磨床磨削加工時有測抓在線測量，所以需要構成全閉環伺服控制。加工效率高，要求伺服系統有良好的高速響應能力；加工精度高，要求伺服系統有良好的剛性，以及優秀的低速性能。總體上要求伺服系統在高、低極限都能達到良好的性能。加工精度達到1μm
（3） PLC控制多臺變頻器。
（4） 采用觸摸式人機界面，操作直觀方便，界面友好。
（5） 具備PLC總線連接能力，可以進行整條生產線的聯網控制。
3.控制系統硬件設計:
根據上述控制要求，PLC選擇光洋電子的SU系列，變頻器和交流伺服選擇安川的產品，觸摸屏選用光洋電子的GC-55EM2，共同組成磨削自動控制系統。選擇光洋PLC主要是因為其中的U-01SP單軸伺服控制模塊可以與交流伺服驅動系統良好的配合，達到優良的高、低速性能，而且伺服電機的編碼器信號直接反饋到該模塊，測抓反饋的中斷控制信號也直接反饋到該模塊，從而構成真正意義上的閉環控制。該模塊在光洋精工已經得到長期應用。安川的交流伺服剛性好，技術先進、質量穩定，用于軸承加工設備非常合適；其變頻器具備MODBUS總線，由于光洋電子的SU系列CPU模塊的通訊口已經內置MODBUS協議，所以可以采用通訊方式控制多臺變頻，相比原先類似系統采用的模擬量輸出控制簡化了PLC硬件配置從而大幅節約了成本。值得一提的是SU-5M通訊功能強大，CPU自身具備3個通訊口，分別用于觸摸屏通訊、變頻器通訊、總線控制，而不需要單獨的通訊模塊，對提高配置的性價比起到了十分關鍵的作用。
系統示意圖如下：
U-01SP與交流伺服配線圖如下：
4.控制軟件設計:
軸承磨削的工藝十分復雜，磨削的方式有多種。本磨床主要是通過控制磨架的前后運動與砂輪進給機構相配合，完成磨削過程。控制的要點在于磨削進給機構的動作，也就是伺服系統的控制。本系統中的U-01SP可以用類似CNC的G代碼控制，從而實現復雜的程序結構。利用這套系統，我們實現了電氣原點的手動設置、手動調整模式與自動運行模式的切換、單次運行（半自動）與連續自動運行的自由切換、砂輪的各種修正模式、以及順序復位（按機床動作流程，到需要返回時按原先已經動作的順序反方向倒退回初始狀態。因為機床的各部件動作需要錯開，同時復位會造成碰撞）。U-01SP與PLC的信息交換通過該模塊占用的輸入輸出點進行。其對應關系見下表
程序控制分為兩部分，CPU內的主程序為傳統的PLC梯形圖程序，該程序采用光洋的級式語言編程，依據工藝流程圖編寫，結構明晰、調試方便；U-01SP內下載伺服控制程序，整個磨削過程及砂輪修正程序均包含在G代碼伺服程序內。當PLC主程序需要調用伺服程序時，只需要控制U-01SP的對應輸出繼電器即可。如啟動自動運行，只需將Ｑn＋０２輸出為ON；如啟動手動反轉，將Ｑn＋０3置為ON即可，伺服運行時Ｉn＋０２為ON顯示伺服系統運行中（BUSY）。限于篇幅，詳細的工藝流程圖在此無法展開，這里給出砂輪修正部分的PLC程序示例：
G代碼編程介紹:
由于U-01SP伺服定位模塊的類CNC的G代碼具有編程方便、功能強大、調試直觀、易于學習等許多優點，在此作簡單說明。
（1）定位控制命令的基本格式：
N100 G00 X500 F3000
其中N100為程序標號，G00為命令碼，X500代表定位位置，F3000表示定位速度。
（2）常用G代碼命令
在實際使用中，帶中斷的定位非常有用。例如在測抓工作時，如果測抓檢測到磨削尺寸已經到達設定值，立刻發出中斷信號，U-01SP接收到該信號立即發出停止指令給伺服系統。
編程舉例如下：
G05為連續定位，按設定的位置、速度進行連續定位
Ｎ１０ Ｇ0 ５ Ｘ５００ Ｆ５００
Ｎ１１ Ｇ0 ５ Ｘ１０００ Ｆ３００
Ｎ１２ Ｇ0 0 Ｘ１５００ Ｆ２００
G25為帶中斷的連續定位，在到達目標值前有中斷信號則立即進行下面的定位
Ｎ１０ Ｇ２５ Ｘ５００ Ｆ５００
Ｎ１１ Ｇ２５ Ｘ１０００ Ｆ３００
Ｎ１２ Ｇ２６ Ｘ１５００ Ｆ２００
下面的2個示意圖顯示了兩者的差別。
當然，常用的G代碼命令還有很多，限于篇幅就不一一例舉了。
實際運行的伺服程序采用可設定的寄存器，還要進行PLC、觸摸屏、伺服模塊間的數據傳送；同時，要根據不同的工藝要求進行程序跳轉；甚至可以在同一個程序內進行坐標系的切換（絕對/相對坐標系）。一般來說，采用U-01SP的G代碼編程，可以節省數K空間的PLC程序，對于編程、調試、維護帶來的便利性不言而喻。
結束語:
說到CNC數控系統，相信許多人對G代碼編程是非常熟悉的，但是在PLC系統中融合G代碼編程的產品目前在國內并不普及。我們的這套系統自2000年在國內首次投產距今已接近5年時間，用戶反映質量穩定，使用便利。值得一提的是我們的這套系統走出了伺服電機最低轉速每分鐘0.1轉以下的極限！如此低的速度在光磨時有著重要的意義，因為光磨時需要的就是非常低的磨削速度，以逼近無進給磨削狀態，可以達到極高的磨削精度。事實上，用戶利用我們的PLC系統和三菱的專用CNC系統做了比較，磨削后工件的測量結果表明，采用PLC系統的磨削精度、加工的重復精度完全達到專用CNC系統的水準。從這一點來說，這套PLC系統有著良好的性能和特點：它將PLC的控制和高性能的伺服定位控制結合在一起，提供了PLC的易用性和CNC的高性能，具有很好的推廣價值和應用前景。
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