PLC三軸定位功能在微型軸承外滾道磨床中的應(yīng)用

康正坡，王高峰，張亞平

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

目前，在軸承外滾道磨床控制系統(tǒng)中，磨架進(jìn)給和工件進(jìn)給采用伺服控制，而砂輪修整器多采用液壓驅(qū)動，這樣的系統(tǒng)都屬于兩軸定位。在微型軸承外滾道磨床中，由于加工的軸承外徑范圍小(5～30 mm)，修整砂輪時(shí)，圓弧修整擺動的角度非常小，還要求速度平穩(wěn)。此時(shí)，液壓驅(qū)動的圓弧修整器想要達(dá)到使用要求比較困難。因此，微型磨床圓弧修整器改用伺服電動機(jī)控制，伺服電動機(jī)可以準(zhǔn)確地控制修整器的旋轉(zhuǎn)角度和速度，修整精度高且操作簡單。這樣，該微型磨床控制系統(tǒng)就需要3個(gè)方向的伺服控制，即三軸定位。而現(xiàn)在大多數(shù)PLC僅能實(shí)現(xiàn)兩路伺服控制，實(shí)現(xiàn)三軸定位需另加定位模塊，或者使用高端的PLC,這兩種方案都會使控制成本明顯增加。下文介紹采用FX-3G系列 PLC實(shí)現(xiàn)3路高速脈沖輸出，用于控制3個(gè)伺服系統(tǒng)的方法。

1 系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示。PLC根據(jù)人機(jī)界面(觸摸屏)設(shè)置參數(shù)及命令來控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動作。觸摸屏不僅可以實(shí)現(xiàn)工件、磨架、修整3個(gè)方向上的參數(shù)調(diào)整及運(yùn)行監(jiān)控，還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床各部件的報(bào)警監(jiān)控，既方便用戶操作，又可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程控制器

FX-3G PLC是三菱第3代小型可編程控制器，具有高速、可擴(kuò)展、低成本等特點(diǎn)，單條節(jié)點(diǎn)命令處理時(shí)間為0.21 μs，單條應(yīng)用命令處理時(shí)間為0.5 μs，具有獨(dú)立三軸簡易定位功能。該P(yáng)LC是整個(gè)磨床控制的核心，可實(shí)現(xiàn)磨床的三軸定位，還具有機(jī)床保護(hù)信號和位置信號采集，對工件和磨架電動機(jī)變頻器及冷卻電動機(jī)的控制，磨削參數(shù)的保存和磨削控制流程的實(shí)現(xiàn)等功能。

2.2 人機(jī)界面

人機(jī)界面選用施耐德GXO-3501觸摸屏，并集成1個(gè)mini usb口，1個(gè)RS485通信端口和1個(gè)RS232通信端口，使用該觸摸屏即可完成機(jī)床參數(shù)設(shè)置以及運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

2.3 伺服電動機(jī)及驅(qū)動裝置

伺服驅(qū)動器接收來自PLC的控制脈沖，驅(qū)動伺服電動機(jī)作正反向轉(zhuǎn)動。伺服驅(qū)動裝置和伺服電動機(jī)選用LXM23D系列驅(qū)動器和BCH系列伺服電動機(jī)，通過設(shè)置伺服電動機(jī)的電子齒輪比，機(jī)床工件和磨架進(jìn)給精度可以達(dá)到0.1μm/pulse，修整器旋轉(zhuǎn)精度達(dá)到0.01°/pulse 。

2.4 硬件接線說明

PLC與三伺服電動機(jī)及觸摸屏接線圖如圖2所示。其中Y0，Y1，Y2為PLC的高速脈沖輸出端，其最大頻率可以達(dá)到100 kHz，分別為X軸，Y軸，圓弧修整伺服提供高速脈沖。Y4，Y5，Y6為伺服方向信號輸入端，用來控制伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。X10，X15，X17為PLC輸入端，分別接3個(gè)伺服電動機(jī)的報(bào)警端，當(dāng)伺服電動機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)閉合，將報(bào)警信號輸入PLC。X11，X16，X17接3個(gè)伺服電動機(jī)編碼器Z相脈沖輸出端。

圖2 PLC三軸定位接線圖

3 PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要是實(shí)現(xiàn)故障檢測、自動手動之間的切換、進(jìn)給位置及急停處理等功能。在機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，PLC要把出現(xiàn)故障的元件停止并將故障狀態(tài)通過觸摸屏顯示；當(dāng)按下機(jī)床急停按鈕時(shí)，PLC能迅速將工作的各個(gè)部件安全停止；在無故障和急停情況下，實(shí)現(xiàn)手動和自動的自由切換。其控制流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 自動子程序

當(dāng)自動條件滿足時(shí)，按循環(huán)啟動按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動磨削過程，機(jī)床按照圖4所示流程按步執(zhí)行。一個(gè)循環(huán)結(jié)束，系統(tǒng)首先判斷修整條件是否滿足，如果滿足修整條件，系統(tǒng)按照設(shè)置的修整參數(shù)進(jìn)行修整，修整完成后再進(jìn)行自動磨削過程。由于PLC是循環(huán)掃描工作方式，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或緊急停車時(shí)，主程序會檢測到事件的發(fā)生，此時(shí)，系統(tǒng)會自動退出自動磨削過程，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖4 自動程序流程圖

3.3 定位功能的實(shí)現(xiàn)

PLC通過定位指令DRVI或DRVA來實(shí)現(xiàn)定位功能，三菱FX其他系列PLC定位指令的基底速度受最高速度和加減速時(shí)間限制，當(dāng)伺服進(jìn)給速度設(shè)置低于DRVI指令基底速度時(shí)，需要另編寫程序?qū)崿F(xiàn)定位功能。FX3G系列PLC定位指令DRVI和DRVA允許最低頻率范圍為10 Hz，而3MK143B的精度為0.1 μm/pulse，DRVI的速度最低可以達(dá)到1 μm/s，完全可以滿足控制系統(tǒng)的需要，從而簡化了程序的編寫，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

FX3G PLC要實(shí)現(xiàn)三軸定位功能，必須對各路脈沖的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其設(shè)定值見表1。

表1 FX3G PLC定位功能參數(shù)設(shè)定表

3.4 原點(diǎn)返回的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)PLC使用Y0定位時(shí)，Y0輸出脈沖，Y4輸出方向信號。對應(yīng)表1中的當(dāng)前值寄存器D8340，D8341就會增減，當(dāng)PLC的電源一旦關(guān)閉，當(dāng)前值寄存器中的當(dāng)前值會被清除，因此上電后，務(wù)必要將機(jī)械位置和當(dāng)前寄存器的位置對準(zhǔn)；其他Y1，Y2定位功能也需要機(jī)械位置和對應(yīng)的當(dāng)前寄存器位置對準(zhǔn)。常用的方法就是執(zhí)行原點(diǎn)回歸指令，F(xiàn)X-3G PLC中原點(diǎn)是磨床控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，控制系統(tǒng)保持每次返回原點(diǎn)時(shí)都準(zhǔn)確停止在某個(gè)特定的機(jī)械位置，這是保證磨床控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提。FX-3G PLC新增帶DOG點(diǎn)搜索的原點(diǎn)回歸指令DSZR，該指令需要2個(gè)信號輸入，一個(gè)是DOG點(diǎn)信號，一個(gè)是清零信號。DOG點(diǎn)信號通過接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)，清零信號接編碼器的Z相回零點(diǎn)，當(dāng)伺服電動機(jī)走到DOG點(diǎn)時(shí)開始減速，當(dāng)捕捉到Z相脈沖零點(diǎn)時(shí)，定位結(jié)束，伺服電動機(jī)停止。DSZR原點(diǎn)回歸指令每次都能使伺服電動機(jī)準(zhǔn)確回到機(jī)械原點(diǎn)，可靠性高。

4 結(jié)束語

利用三菱FX-3G PLC和觸摸屏很容易就實(shí)現(xiàn)了微型軸承外滾道磨床三軸定位的需要，在實(shí)際使用過程中，該控制系統(tǒng)操作簡單，控制精度高，可靠性好，在微型磨床上有較高的應(yīng)用價(jià)值。