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PLC在轴承磨床上的应用

发表于:2019-07-18 10:53 作者:新闻小编 来源:新闻小编

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1m

  (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。

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