PLC三軸定位功能在微型軸承外滾道磨床中的應用

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，磨架進給和工件進給采用伺服控制，而砂輪修整器多采用液壓驅動，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，圓弧修整擺動的角度非常小，還要求速度平穩(wěn)。此時，液壓驅動的圓弧修整器想要達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控制，伺服電動機可以準確地控制修整器的旋轉角度和速度，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個方向的伺服控制，即三軸定位。而現在大多數PLC僅能實現兩路伺服控制，實現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實現3路高速脈沖輸出，用于控制3個伺服系統(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根據人機界面(觸摸屏)設置參數及命令來控制機床實現相應的動作。觸摸屏不僅可以實現工件、磨架、修整3個方向上的參數調整及運行監(jiān)控，還可以實現機床各部件的報警監(jiān)控，既方便用戶操作，又可實時監(jiān)控機床的運行狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

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、可擴展、低成本等特點，單條節(jié)點命令處理時間為0.21 μs，單條應用命令處理時間為0.5 μs，具有獨立三軸簡易定位功能。該PLC是整個磨床控制的核心，可實現磨床的三軸定位，還具有機床保護信號和位置信號采集，對工件和磨架電動機變頻器及冷卻電動機的控制，磨削參數的保存和磨削控制流程的實現等功能。

2.2 人機界面

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

2.3 伺服電動機及驅動裝置

伺服驅動器接收來自PLC的控制脈沖，驅動伺服電動機作正反向轉動。伺服驅動裝置和伺服電動機選用LXM23D系列驅動器和BCH系列伺服電動機，通過設置伺服電動機的電子齒輪比，機床工件和磨架進給精度可以達到0.1μm/pulse，修整器旋轉精度達到0.01°/pulse 。

2.4 硬件接線說明

PLC與三伺服電動機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的旋轉方向。X10，X15，X17為PLC輸入端，分別接3個伺服電動機的報警端，當伺服電動機出現故障時閉合，將報警信號輸入PLC。X11，X16，X17接3個伺服電動機編碼器Z相脈沖輸出端。

圖2 PLC三軸定位接線圖

3 PLC軟件設計

3.1 主程序設計

主程序主要是實現故障檢測、自動手動之間的切換、進給位置及急停處理等功能。在機床出現故障時，PLC要把出現故障的元件停止并將故障狀態(tài)通過觸摸屏顯示；當按下機床急停按鈕時，PLC能迅速將工作的各個部件安全停止；在無故障和急停情況下，實現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

當自動條件滿足時，按循環(huán)啟動按鈕，系統(tǒng)進入自動磨削過程，機床按照圖4所示流程按步執(zhí)行。一個循環(huán)結束，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)按照設置的修整參數進行修整，修整完成后再進行自動磨削過程。由于PLC是循環(huán)掃描工作方式，當系統(tǒng)出現故障或緊急停車時，主程序會檢測到事件的發(fā)生，此時，系統(tǒng)會自動退出自動磨削過程，進行相應的處理。

圖4 自動程序流程圖

3.3 定位功能的實現

PLC通過定位指令DRVI或DRVA來實現定位功能，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間限制，當伺服進給速度設置低于DRVI指令基底速度時，需要另編寫程序實現定位功能。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。

FX3G PLC要實現三軸定位功能，必須對各路脈沖的控制參數進行設置，其設定值見表1。

表1 FX3G PLC定位功能參數設定表

3.4 原點返回的實現

當PLC使用Y0定位時，Y0輸出脈沖，Y4輸出方向信號。對應表1中的當前值寄存器D8340，D8341就會增減，當PLC的電源一旦關閉，當前值寄存器中的當前值會被清除，因此上電后，務必要將機械位置和當前寄存器的位置對準；其他Y1，Y2定位功能也需要機械位置和對應的當前寄存器位置對準。常用的方法就是執(zhí)行原點回歸指令，FX-3G PLC中原點是磨床控制系統(tǒng)的基準點，控制系統(tǒng)保持每次返回原點時都準確停止在某個特定的機械位置，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點搜索的原點回歸指令DSZR，該指令需要2個信號輸入，一個是DOG點信號，一個是清零信號。DOG點信號通過接近開關實現，清零信號接編碼器的Z相回零點，當伺服電動機走到DOG點時開始減速，當捕捉到Z相脈沖零點時，定位結束，伺服電動機停止。DSZR原點回歸指令每次都能使伺服電動機準確回到機械原點，可靠性高。

4 結束語

利用三菱FX-3G PLC和觸摸屏很容易就實現了微型軸承外滾道磨床三軸定位的需要，在實際使用過程中，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用價值。