PLC在轴承磨床上的应用

摘要：本文介绍了PLC，特别是其伺服定位模块在轴承磨削加工中的应用。另外，还介绍了该伺服定位模块的G代码编程，该语言具有功能强大、调试方便的特点。
关键字：轴承磨削、伺服、G代码、PLC
1.引言:
随着我国机械装备、汽车工业等行业的快速发展，我们对轴承加工设备，尤其是高精度、高效率、高可靠性的轴承磨床需求量十分庞大。轴承，作为机械工业的基础件，其加工设备的重要性非常突出。目前，我们国家的轴承加工设备相对存在加工精度差，重复精度不高、生产效率低的问题，生产的轴承和国外品牌有相当大的差距。以小型球轴承加工设备为例，有许多个体企业还在使用手工作业生产，这从侧面说明了我们在设备的自动化控制方面还有许多工作要做。当然，轴承设备的机械加工精度要求很高，在此基础上，设计一套优秀的自动控制系统及其控制软件非常重要。笔者在参与某集团公司的新型轴承自动化生产线的研制过程中，引进光洋电子的伺服控制模块，成功设计出了一套新的轴承磨床控制系统并完成系统软件的设计。值的一提的是，光洋（KOYO）精工是日本的轴承生产龙头企业之一，其轴承磨削的自动化控制确有其独到之处。
2.工作原理及控制要求:
以RF-3MZ203小型轴承内圆磨为例，其机械结构的关键在于磨削进给机构，一般采用直线导轨和滚珠丝杠总成。加工时，工件（轴承套圈）高速旋转，磨削进给机构控制砂轮精确运动，进行磨削加工。所以，磨削进给的控制精度十分重要，这里采用安川的全数字化交流伺服系统控制。
磨削进给机构示意图如下

该磨床自动化控制的总体要求是
（1） 开关量输入64点，开关量输出24点。
（2） 采用伺服定位模块控制安川的交流伺服系统。由于内圆磨床磨削加工时有测抓在线测量，所以需要构成全闭环伺服控制。加工效率高，要求伺服系统有良好的高速响应能力；加工精度高，要求伺服系统有良好的刚性，以及优秀的低速性能。总体上要求伺服系统在高、低极限都能达到良好的性能。加工精度达到1μm
（3） PLC控制多台变频器。
（4） 采用触摸式人机界面，操作直观方便，界面友好。
（5） 具备PLC总线连接能力，可以进行整条生产线的联网控制。
3.控制系统硬件设计:
根据上述控制要求，PLC选择光洋电子的SU系列，变频器和交流伺服选择安川的产品，触摸屏选用光洋电子的GC-55EM2，共同组成磨削自动控制系统。选择光洋PLC主要是因为其中的U-01SP单轴伺服控制模块可以与交流伺服驱动系统良好的配合，达到优良的高、低速性能，而且伺服电机的编码器信号直接反馈到该模块，测抓反馈的中断控制信号也直接反馈到该模块，从而构成真正意义上的闭环控制。该模块在光洋精工已经得到长期应用。安川的交流伺服刚性好，技术先进、质量稳定，用于轴承加工设备非常合适；其变频器具备MODBUS总线，由于光洋电子的SU系列CPU模块的通讯口已经内置MODBUS协议，所以可以采用通讯方式控制多台变频，相比原先类似系统采用的模拟量输出控制简化了PLC硬件配置从而大幅节约了成本。值得一提的是SU-5M通讯功能强大，CPU自身具备3个通讯口，分别用于触摸屏通讯、变频器通讯、总线控制，而不需要单独的通讯模块，对提高配置的性价比起到了十分关键的作用。
系统示意图如下：

U-01SP与交流伺服配线图如下：

4.控制软件设计:
轴承磨削的工艺十分复杂，磨削的方式有多种。本磨床主要是通过控制磨架的前后运动与砂轮进给机构相配合，完成磨削过程。控制的要点在于磨削进给机构的动作，也就是伺服系统的控制。本系统中的U-01SP可以用类似CNC的G代码控制，从而实现复杂的程序结构。利用这套系统，我们实现了电气原点的手动设置、手动调整模式与自动运行模式的切换、单次运行（半自动）与连续自动运行的自由切换、砂轮的各种修正模式、以及顺序复位（按机床动作流程，到需要返回时按原先已经动作的顺序反方向倒退回初始状态。因为机床的各部件动作需要错开，同时复位会造成碰撞）。U-01SP与PLC的信息交换通过该模块占用的输入输出点进行。其对应关系见下表

程序控制分为两部分，CPU内的主程序为传统的PLC梯形图程序，该程序采用光洋的级式语言编程，依据工艺流程图编写，结构明晰、调试方便；U-01SP内下载伺服控制程序，整个磨削过程及砂轮修正程序均包含在G代码伺服程序内。当PLC主程序需要调用伺服程序时，只需要控制U-01SP的对应输出继电器即可。如启动自动运行，只需将Ｑn＋０２输出为ON；如启动手动反转，将Ｑn＋０3置为ON即可，伺服运行时Ｉn＋０２为ON显示伺服系统运行中（BUSY）。限于篇幅，详细的工艺流程图在此无法展开，这里给出砂轮修正部分的PLC程序示例：

G代码编程介绍:
由于U-01SP伺服定位模块的类CNC的G代码具有编程方便、功能强大、调试直观、易于学习等许多优点，在此作简单说明。
（1）定位控制命令的基本格式：
N100 G00 X500 F3000
其中N100为程序标号，G00为命令码，X500代表定位位置，F3000表示定位速度。
（2）常用G代码命令

在实际使用中，带中断的定位非常有用。例如在测抓工作时，如果测抓检测到磨削尺寸已经到达设定值，立刻发出中断信号，U-01SP接收到该信号立即发出停止指令给伺服系统。
编程举例如下：
G05为连续定位，按设定的位置、速度进行连续定位
Ｎ１０　Ｇ0 ５　Ｘ５００　　Ｆ５００
Ｎ１１　Ｇ0 ５　Ｘ１０００　Ｆ３００
Ｎ１２　Ｇ0 0　Ｘ１５００　Ｆ２００
G25为带中断的连续定位，在到达目标值前有中断信号则立即进行下面的定位
Ｎ１０　Ｇ２５　Ｘ５００　　Ｆ５００
Ｎ１１　Ｇ２５　Ｘ１０００　Ｆ３００
Ｎ１２　Ｇ２６　Ｘ１５００　Ｆ２００
下面的2个示意图显示了两者的差别。
当然，常用的G代码命令还有很多，限于篇幅就不一一例举了。
实际运行的伺服程序采用可设定的寄存器，还要进行PLC、触摸屏、伺服模块间的数据传送；同时，要根据不同的工艺要求进行程序跳转；甚至可以在同一个程序内进行坐标系的切换（绝对/相对坐标系）。一般来说，采用U-01SP的G代码编程，可以节省数K空间的PLC程序，对于编程、调试、维护带来的便利性不言而喻。
轴承磨削的伺服进给过程主要是：
快进 黑皮 粗磨 精磨 光磨 尺寸到（测抓中断）
这里给出一个相应的G代码程序做参考
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
结束语:
说到CNC数控系统，相信许多人对G代码编程是非常熟悉的，但是在PLC系统中融合G代码编程的产品目前在国内并不普及。我们的这套系统自2000年在国内首次投产距今已接近5年时间，用户反映质量稳定，使用便利。值得一提的是我们的这套系统走出了伺服电机最低转速每分钟0.1转以下的极限！如此低的速度在光磨时有着重要的意义，因为光磨时需要的就是非常低的磨削速度，以逼近无进给磨削状态，可以达到极高的磨削精度。事实上，用户利用我们的PLC系统和三菱的专用CNC系统做了比较，磨削后工件的测量结果表明，采用PLC系统的磨削精度、加工的重复精度完全达到专用CNC系统的水准。从这一点来说，这套PLC系统有着良好的性能和特点：它将PLC的控制和高性能的伺服定位控制结合在一起，提供了PLC的易用性和CNC的高性能，具有很好的推广价值和应用前景。