1 改造方案

　　交流伺服數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于軸承磨床，將快跳油缸和諧波減速器去掉，采用滾珠絲杠和伺服電機(jī)直聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械系統(tǒng)誤差最小，交流伺服數(shù)控技術(shù)在軸承磨床改造中正在得到廣泛應(yīng)用。以MZ208內(nèi)圓軸承磨床數(shù)控化改造為例，介紹交流伺服數(shù)控技術(shù)在軸承磨床改造中的應(yīng)用，采用單軸半閉環(huán)伺服數(shù)控系統(tǒng)可滿足內(nèi)圓軸承磨床改造的要求，半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，是目前數(shù)控機(jī)床普遍采用的一種系統(tǒng)，其特點(diǎn)是在伺服電機(jī)上加裝編碼器，通過(guò)檢測(cè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角，間接檢測(cè)移動(dòng)部件的位移量，然后反饋到數(shù)控裝置中，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)是外環(huán)為位置環(huán)、內(nèi)環(huán)為速度環(huán)的控制系統(tǒng)。速度環(huán)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電路，由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及功率驅(qū)動(dòng)放大器組成。位置環(huán)是控制坐標(biāo)軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1電氣控制系統(tǒng)組成

　　選用歐姆龍CJIM—CPU11型PLC、位置控制單元CJ1W-NC113，9寸觸摸屏GP477R-EG41、三菱伺服驅(qū)動(dòng)源MR-J3-100A型、三菱伺服電機(jī)HF—SP102／1kW組成交流伺服進(jìn)給數(shù)控系統(tǒng)，替代原機(jī)床控制電路，改造后的電氣控制系統(tǒng)組成框。

　　2.2 變頻驅(qū)動(dòng)裝置

　　為此系統(tǒng)配備變頻器，分別驅(qū)動(dòng)控制工件軸、砂輪軸和磨架振蕩電機(jī)。操作人員依據(jù)磨削加工要求設(shè)定變頻速度參數(shù)，在磨削加工過(guò)程中，PLC控制變頻器運(yùn)行和監(jiān)視變頻器運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器發(fā)生過(guò)電流，過(guò)電壓、過(guò)載、硬件異常、電源異常等情況，由PLC作出相應(yīng)處理。

2.3位置控制器(PCU)

　　高端PLC配備單軸位置控制單元，與交流伺服電動(dòng)機(jī)配套使用，可以完成半閉環(huán)位置控制及速度控制，配備兩軸聯(lián)動(dòng)位置控制單元可以進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)控制，實(shí)現(xiàn)直線和曲線等加工控制。OMRON公司的CJlMCPU自帶PCU位置控制單元，支持軟件CX—Position，CJ1W-NCll3PCU控制單軸，CJ1W-NC213PCU控制雙軸，PCU通過(guò)以位置指令和速度指令的形式提供脈沖數(shù)目和脈沖速度進(jìn)行定位控制，主要有兩種定位控制方法及直接操作法和存儲(chǔ)操作法。采用直接操作法時(shí)，位置和速度直接由cPU單元(梯形圖程序)設(shè)置，并且定位根據(jù)操作命令執(zhí)行，在直接操作法中不能實(shí)現(xiàn)線性插補(bǔ)；采用存儲(chǔ)操作法時(shí)，定位序列(單獨(dú)的定位操作，包含位置和速度之類(lèi)的數(shù)據(jù))提前傳輸?shù)絇CU內(nèi)部存儲(chǔ)器中，PCU單元通過(guò)序列號(hào)執(zhí)行定位。采用高端PLC設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)，需根據(jù)控制精度、運(yùn)行速度和運(yùn)行軌跡要求選擇合適的位置控制單元(PCU)。磨削數(shù)控系統(tǒng)控制精度要求較高(位置精度1μm)，一般選擇數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。OMRON高端PLC專(zhuān)用指令控制脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)定程、點(diǎn)動(dòng)、返回原點(diǎn)和原點(diǎn)搜索等運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)粗、精、光磨削加工和軸承磨床快進(jìn)、快退幾個(gè)階段的速度控制和位置控制的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　2.4 交流伺服驅(qū)動(dòng)器

　　MR—J3系列驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)偏差計(jì)數(shù)器與位控單元PCU發(fā)出的脈沖串進(jìn)行比較，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，三菱通用交流伺服放大器MR-J3系列伺服系統(tǒng)，其控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，具有USB和RS422串型通訊功能，通過(guò)安裝有伺服軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和試運(yùn)行、狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調(diào)整等操作，也可手動(dòng)設(shè)置參數(shù)，具有較高水平自整定功能和振動(dòng)抑制功能。與MR-J3系列配套的高性能伺服電機(jī)編碼器采用了分辨率為262144脈沖／轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置編碼器，具有高速／大轉(zhuǎn)矩特性，驅(qū)動(dòng)器功率的選擇通過(guò)電機(jī)功率及機(jī)械傳動(dòng)負(fù)載決定。

　　2.5 交流伺服電機(jī)選擇

　　電機(jī)選擇要根據(jù)系統(tǒng)的傳動(dòng)比、滾珠絲杠螺距、快速行程速度、最大切削和快速行程時(shí)轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的扭矩和負(fù)載慣量來(lái)選擇電機(jī)額定功率、電機(jī)額定輸出扭矩、額定轉(zhuǎn)速等。一般交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。加減速時(shí)負(fù)載扭矩應(yīng)限定在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大扭矩的80％以?xún)?nèi)。工作狀態(tài)載荷扭矩在正常狀態(tài)下，不超過(guò)電機(jī)額定扭矩的80％。以MZ208內(nèi)圓軸承磨床為例，電機(jī)選擇HF—SP102型，驅(qū)動(dòng)器選擇MR-J3-100A型。

　　2.6 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　高端軸承磨床數(shù)控系統(tǒng)可選用觸摸屏人機(jī)界面，采用組態(tài)工具軟件和圖形庫(kù)(開(kāi)關(guān)、燈、棒圖等)以及動(dòng)畫(huà)功能等，按照磨削工藝流程要求進(jìn)行系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)。下面以MZ208磨削數(shù)控系統(tǒng)操作界面為例介紹設(shè)計(jì)過(guò)程和效果。根據(jù)磨削數(shù)控操作和顯示的需要，該系統(tǒng)主界面下設(shè)5個(gè)子畫(huà)面，分別是調(diào)整畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、自動(dòng)畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面和故障診斷畫(huà)面。系統(tǒng)上電自動(dòng)進(jìn)入主界面，在主界面上點(diǎn)擊操作可轉(zhuǎn)移相應(yīng)的子界面。調(diào)整畫(huà)面用于快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退、返回、零位設(shè)置、磨架進(jìn)出、砂輪修整等手動(dòng)操作，為設(shè)備調(diào)試提供便利；報(bào)警畫(huà)面利用觸摸屏人機(jī)界面本身具有的報(bào)警功能設(shè)計(jì)，對(duì)x軸極限位置、驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)、主軸變頻運(yùn)行狀態(tài)和位控單元等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)觸摸屏立刻彈出報(bào)警信息(故障代碼及應(yīng)對(duì)措施等)，自動(dòng)畫(huà)面顯示x軸當(dāng)前位置、工步狀態(tài)、加工周期、加工數(shù)鼉等信息；參數(shù)設(shè)置畫(huà)面可設(shè)置數(shù)控磨削相關(guān)參數(shù)；故障診斷畫(huà)面町以了解I/O接口信號(hào)的通斷狀態(tài)，出現(xiàn)異?？煽焖倥懦收稀Ｈ藱C(jī)界面應(yīng)用程序可脫機(jī)編制和調(diào)試，然后下載到觸摸屏上運(yùn)行，PLC一般通過(guò)RS232接口與觸摸屏相連。許多觸摸屏還配備并行接口，可直接與打印機(jī)連接，實(shí)時(shí)打印數(shù)據(jù)或進(jìn)行屏幕拷貝。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　單軸磨床主要是通過(guò)控制砂輪磨架的前后運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給機(jī)構(gòu)相配合，完成磨削過(guò)程的?？刂频囊c(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。歐姆龍CJlw-CPUll型PLC組成的數(shù)控系統(tǒng)采用CX—Programmer編程軟件，在計(jì)算機(jī)上編程調(diào)試后下載到數(shù)控系統(tǒng)。工作程序包括手動(dòng)加工程序、自動(dòng)加工程序和故障診斷程序等組成，屬傳統(tǒng)的PLC梯形圖程序，依據(jù)工藝流程圖編寫(xiě)，結(jié)構(gòu)明晰、調(diào)試方便，可實(shí)現(xiàn)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、以及順序復(fù)位。對(duì)CJ1w-MC113位置控制器的編程采用直接操作方法，位置和速度直接由CPU單(梯形圖程序)設(shè)置，并且定位根據(jù)操作命令執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位控制。加工過(guò)程參數(shù)由操作人員根據(jù)加工工藝通過(guò)觸摸屏隨機(jī)設(shè)置，程序設(shè)置的數(shù)據(jù)區(qū)域有公共參數(shù)區(qū)域、軸參數(shù)區(qū)域、操作存儲(chǔ)器區(qū)域。公共參數(shù)區(qū)域用來(lái)設(shè)置控制軸所需的操作數(shù)據(jù)和軸參數(shù)，在使用PCU之前必須設(shè)置公共參數(shù)。在CPU單元的DM分配給特殊I／O單元的區(qū)域作為公共參數(shù)區(qū)域和軸參數(shù)Ⅸ域。區(qū)域的開(kāi)始字由PCU設(shè)置的單元號(hào)決定，公共參數(shù)區(qū)域的開(kāi)始字m=D20000+100x單元號(hào)，公共參數(shù)由m、m+1、m+2組成；軸參數(shù)區(qū)域接在公共參數(shù)區(qū)域后面，軸參數(shù)區(qū)域開(kāi)始字m+4~m+31，軸參數(shù)功能包括脈沖輸出類(lèi)型、輸入信號(hào)邏輯以及由PCU控制的軸操作模式等；操作存儲(chǔ)器區(qū)域是CIo區(qū)域中分配給用來(lái)向Pcu輸出命令的輸出和用來(lái)監(jiān)測(cè)PcU狀態(tài)的輸入的區(qū)域，操作存儲(chǔ)器區(qū)域的開(kāi)始字n=2000+10x單元號(hào)，包括n、n+2、n+3、n+4。在指定的數(shù)據(jù)傳送區(qū)域要設(shè)置位置指針、進(jìn)給速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間等。

　　軸承磨床采用交流伺服數(shù)控化改造后，使老機(jī)床具備了數(shù)控軸承磨床的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了數(shù)控軸承磨床的精度要求，床身幾何精度檢驗(yàn)實(shí)測(cè)重復(fù)定位精度1μm，機(jī)床性能穩(wěn)定可靠，機(jī)床的加工效率提高百分之五十左右，操作和維修方便，使用效果良好。