PLC在軸承磨床中的應(yīng)用
發(fā)布日期：2022-04-22 點擊率：73
1.引言
隨著我國機械裝備、汽車工業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，我們對軸承加工設(shè)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(yè)的基礎(chǔ)件，其加工設(shè)備的重要性非常突出。目前，我們國家的軸承加工設(shè)備相對存在加工精度差，重復(fù)精度不高、生產(chǎn)效率低的問題，生產(chǎn)的軸承和國外品牌有相當(dāng)大的差距。以小型球軸承加工設(shè)備為例，有許多個體企業(yè)還在使用手工作業(yè)生產(chǎn)，這從側(cè)面說明了我們在設(shè)備的自動化控制方面還有許多工作要做。當(dāng)然，軸承設(shè)備的機械加工精度要求很高，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一套優(yōu)秀的自動控制系統(tǒng)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(chǎn)線的研制過程中，引進光洋電子的伺服控制模塊，成功設(shè)計出了一套新的軸承磨床控制系統(tǒng)并完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計。值的一提的是，光洋（KOYO）精工是日本的軸承生產(chǎn)龍頭企業(yè)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(nèi)圓磨為例，其機械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于磨削進給機構(gòu)，一般采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠總成。加工時，工件（軸承套圈）高速旋轉(zhuǎn)，磨削進給機構(gòu)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(shù)字化交流伺服系統(tǒng)控制。
該磨床自動化控制的總體要求是
（1） 開關(guān)量輸入64點，開關(guān)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(tǒng)。由于內(nèi)圓磨床磨削加工時有測抓在線測量，所以需要構(gòu)成全閉環(huán)伺服控制。加工效率高，要求伺服系統(tǒng)有良好的高速響應(yīng)能力；加工精度高，要求伺服系統(tǒng)有良好的剛性，以及優(yōu)秀的低速性能。總體上要求伺服系統(tǒng)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(chǎn)線的聯(lián)網(wǎng)控制。
3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)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(chǎn)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(tǒng)。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(qū)動系統(tǒng)良好的配合，達到優(yōu)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(gòu)成真正意義上的閉環(huán)控制。該模塊在光洋精工已經(jīng)得到長期應(yīng)用。安川的交流伺服剛性好，技術(shù)先進、質(zhì)量穩(wěn)定，用于軸承加工設(shè)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(jīng)內(nèi)置MODBUS協(xié)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(tǒng)采用的模擬量輸出控制簡化了PLC硬件配置從而大幅節(jié)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(guān)鍵的作用。
4.控制軟件設(shè)計
軸承磨削的工藝十分復(fù)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(gòu)相配合，完成磨削過程。控制的要點在于磨削進給機構(gòu)的動作，也就是伺服系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)中的U-01SP可以用類似CNC的G代碼控制，從而實現(xiàn)復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)。利用這套系統(tǒng)，我們實現(xiàn)了電氣原點的手動設(shè)置、手動調(diào)整模式與自動運行模式的切換、單次運行（半自動）與連續(xù)自動運行的自由切換、砂輪的各種修正模式、以及順序復(fù)位（按機床動作流程，到需要返回時按原先已經(jīng)動作的順序反方向倒退回初始狀態(tài)。因為機床的各部件動作需要錯開，同時復(fù)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。
程序控制分為兩部分，CPU內(nèi)的主程序為傳統(tǒng)的PLC梯形圖程序，該程序采用光洋的級式語言編程，依據(jù)工藝流程圖編寫，結(jié)構(gòu)明晰、調(diào)試方便；U-01SP內(nèi)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(nèi)。當(dāng)PLC主程序需要調(diào)用伺服程序時，只需要控制U-01SP的對應(yīng)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(zhuǎn)，將Ｑn＋０3置為ON即可，伺服運行時Ｉn＋０２為ON顯示伺服系統(tǒng)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(diào)試直觀、易于學(xué)習(xí)等許多優(yōu)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(biāo)號，G00為命令碼，X500代表定位位置，F(xiàn)3000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(jīng)到達設(shè)定值，立刻發(fā)出中斷信號，U-01SP接收到該信號立即發(fā)出停止指令給伺服系統(tǒng)。
編程舉例如下：
G05為連續(xù)定位，按設(shè)定的位置、速度進行連續(xù)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(xù)定位，在到達目標(biāo)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
當(dāng)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(shè)定的寄存器，還要進行PLC、觸摸屏、伺服模塊間的數(shù)據(jù)傳送；同時，要根據(jù)不同的工藝要求進行程序跳轉(zhuǎn)；甚至可以在同一個程序內(nèi)進行坐標(biāo)系的切換（絕對/相對坐標(biāo)系）。一般來說，采用U-01SP的G代碼編程，可以節(jié)省數(shù)K空間的PLC程序，對于編程、調(diào)試、維護帶來的便利性不言而喻。
軸承磨削的伺服進給過程主要是：
快進 黑皮 粗磨 精磨 光磨 尺寸到（測抓中斷）
這里給出一個相應(yīng)的G代碼程序做參考
G60 #M102=K1 N150
N10 G00 X（D0） F9800
N20 G91
N30 G05 X（D1） F9800
N40 G25 X（D2） F（D3）
N50 G25 X（D4） F（D5）
N60 G26 X（D6） F（D7）
D24=D9
D20=K0-D8
N70 G00 X（D20） F（D24）
M10
G61 Q13=K1
N80 G26 X（D10） F（D11）
D22=K0-D12
N90 G00 X（D22） F（D24）
G60 #M101=K0 N110
N100 G26 X（D14） F（D15）
G75 N120
N110 G04 K（D13）
N120 G90
N150 G00 X（D0） F9800
#M102=K0
N200 END
結(jié)束語
說到CNC數(shù)控系統(tǒng)，相信許多人對G代碼編程是非常熟悉的，但是在PLC系統(tǒng)中融合G代碼編程的產(chǎn)品目前在國內(nèi)并不普及。我們的這套系統(tǒng)自2000年在國內(nèi)首次投產(chǎn)距今已接近5年時間，用戶反映質(zhì)量穩(wěn)定，使用便利。值得一提的是我們的這套系統(tǒng)走出了伺服電機最低轉(zhuǎn)速每分鐘0.1轉(zhuǎn)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(tài)，可以達到極高的磨削精度。事實上，用戶利用我們的PLC系統(tǒng)和三菱的專用CNC系統(tǒng)做了比較，磨削后工件的測量結(jié)果表明，采用PLC系統(tǒng)的磨削精度、加工的重復(fù)精度完全達到專用CNC系統(tǒng)的水準(zhǔn)。從這一點來說，這套PLC系統(tǒng)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(jié)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(yīng)用前景。
