PLC在軸承磨床上的應(yīng)用

摘要：本文介紹了PLC，特別是其伺服定位模塊在軸承磨削加工中的應(yīng)用。另外，還介紹了該伺服定位模塊的G代碼編程，該語(yǔ)言具有功能強(qiáng)大、調(diào)試方便的特點(diǎn)。
關(guān)鍵字：軸承磨削、伺服、G代碼、PLC
1.引言:
隨著我國(guó)機(jī)械裝備、汽車工業(yè)等行業(yè)的快速發(fā)展，我們對(duì)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(jī)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(guó)家的軸承加工設(shè)備相對(duì)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(guó)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(gè)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?cè)谠O(shè)備的自動(dòng)化控制方面還有許多工作要做。當(dāng)然，軸承設(shè)備的機(jī)械加工精度要求很高，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套優(yōu)秀的自動(dòng)控制系統(tǒng)及其控制軟件非常重要。筆者在參與某集團(tuán)公司的新型軸承自動(dòng)化生產(chǎn)線的研制過程中，引進(jìn)光洋電子的伺服控制模塊，成功設(shè)計(jì)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(jì)。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(dòng)化控制確有其獨(dú)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(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于磨削進(jìn)給機(jī)構(gòu)，一般采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠總成。加工時(shí)，工件（軸承套圈）高速旋轉(zhuǎn)，磨削進(jìn)給機(jī)構(gòu)控制砂輪精確運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行磨削加工。所以，磨削進(jìn)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。
磨削進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖如下

該磨床自動(dòng)化控制的總體要求是
（1） 開關(guān)量輸入64點(diǎn)，開關(guān)量輸出24點(diǎn)。
（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(shí)有測(cè)抓在線測(cè)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(dá)到良好的性能。加工精度達(dá)到1μm
（3） PLC控制多臺(tái)變頻器。
（4） 采用觸摸式人機(jī)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(jìn)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(jì):
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(dòng)控制系統(tǒng)。選擇光洋PLC主要是因?yàn)槠渲械腢-01SP單軸伺服控制模塊可以與交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)良好的配合，達(dá)到優(yōu)良的高、低速性能，而且伺服電機(jī)的編碼器信號(hào)直接反饋到該模塊，測(cè)抓反饋的中斷控制信號(hào)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(zhǎng)期應(yīng)用。安川的交流伺服剛性好，技術(shù)先進(jìn)、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(tái)變頻，相比原先類似系統(tǒng)采用的模擬量輸出控制簡(jiǎn)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(qiáng)大，CPU自身具備3個(gè)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(dú)的通訊模塊，對(duì)提高配置的性價(jià)比起到了十分關(guān)鍵的作用。
系統(tǒng)示意圖如下：

U-01SP與交流伺服配線圖如下：

4.控制軟件設(shè)計(jì):
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(yùn)動(dòng)與砂輪進(jìn)給機(jī)構(gòu)相配合，完成磨削過程。控制的要點(diǎn)在于磨削進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)。利用這套系統(tǒng)，我們實(shí)現(xiàn)了電氣原點(diǎn)的手動(dòng)設(shè)置、手動(dòng)調(diào)整模式與自動(dòng)運(yùn)行模式的切換、單次運(yùn)行（半自動(dòng)）與連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行的自由切換、砂輪的各種修正模式、以及順序復(fù)位（按機(jī)床動(dòng)作流程，到需要返回時(shí)按原先已經(jīng)動(dòng)作的順序反方向倒退回初始狀態(tài)。因?yàn)闄C(jī)床的各部件動(dòng)作需要錯(cuò)開，同時(shí)復(fù)位會(huì)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(diǎn)進(jìn)行。其對(duì)應(yīng)關(guān)系見下表

程序控制分為兩部分，CPU內(nèi)的主程序?yàn)閭鹘y(tǒng)的PLC梯形圖程序，該程序采用光洋的級(jí)式語(yǔ)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(gè)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(shí)，只需要控制U-01SP的對(duì)應(yīng)輸出繼電器即可。如啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行，只需將Ｑn＋０２輸出為ON；如啟動(dòng)手動(dòng)反轉(zhuǎn)，將Ｑn＋０3置為ON即可，伺服運(yùn)行時(shí)Ｉn＋０２為ON顯示伺服系統(tǒng)運(yùn)行中（BUSY）。限于篇幅，詳細(xì)的工藝流程圖在此無(wú)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(qiáng)大、調(diào)試直觀、易于學(xué)習(xí)等許多優(yōu)點(diǎn)，在此作簡(jiǎn)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(hào)，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(shí)際使用中，帶中斷的定位非常有用。例如在測(cè)抓工作時(shí)，如果測(cè)抓檢測(cè)到磨削尺寸已經(jīng)到達(dá)設(shè)定值，立刻發(fā)出中斷信號(hào)，U-01SP接收到該信號(hào)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(jìn)行連續(xù)定位
Ｎ１０?。? ５?。兀担埃啊　。疲担埃?BR>Ｎ１１　Ｇ0 ５?。兀保埃埃啊。疲常埃?BR>Ｎ１２?。? 0　Ｘ１５００　Ｆ２００
G25為帶中斷的連續(xù)定位，在到達(dá)目標(biāo)值前有中斷信號(hào)則立即進(jìn)行下面的定位
Ｎ１０?。牵玻怠。兀担埃啊　。疲担埃?BR>Ｎ１１?。牵玻怠。兀保埃埃啊。疲常埃?BR>Ｎ１２?。牵玻丁。兀保担埃啊。疲玻埃?BR>下面的2個(gè)示意圖顯示了兩者的差別。
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(shí)際運(yùn)行的伺服程序采用可設(shè)定的寄存器，還要進(jìn)行PLC、觸摸屏、伺服模塊間的數(shù)據(jù)傳送；同時(shí)，要根據(jù)不同的工藝要求進(jìn)行程序跳轉(zhuǎn)；甚至可以在同一個(gè)程序內(nèi)進(jìn)行坐標(biāo)系的切換（絕對(duì)/相對(duì)坐標(biāo)系）。一般來(lái)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(duì)于編程、調(diào)試、維護(hù)帶來(lái)的便利性不言而喻。
軸承磨削的伺服進(jìn)給過程主要是：
快進(jìn) 黑皮 粗磨 精磨 光磨 尺寸到（測(cè)抓中斷）
這里給出一個(gè)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(yǔ):
說到CNC數(shù)控系統(tǒng)，相信許多人對(duì)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(guó)內(nèi)并不普及。我們的這套系統(tǒng)自2000年在國(guó)內(nèi)首次投產(chǎn)距今已接近5年時(shí)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(jī)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(shí)有著重要的意義，因?yàn)楣饽r(shí)需要的就是非常低的磨削速度，以逼近無(wú)進(jìn)給磨削狀態(tài)，可以達(dá)到極高的磨削精度。事實(shí)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(cè)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(dá)到專用CNC系統(tǒng)的水準(zhǔn)。從這一點(diǎn)來(lái)說，這套PLC系統(tǒng)有著良好的性能和特點(diǎn)：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(jià)值和應(yīng)用前景。