2.1磨削機設備組成及設計目標

       磨削機主要由1臺永宏FBs-44MN系列PLC，1套三菱MR-J2S系列交流伺服系統，3臺三菱FR-E540系列變頻器，1臺WEINVIEW的 510T，1個(gè)4DA模塊組成。其核心是可編程控制器，它的輸出部分主要用于控制伺服和驅動(dòng)電機。其輸人部分主要接收各類(lèi)保護繼電器的動(dòng)作信號。整個(gè)設計具體可分為以下4部分:①采用PLC：FBs-44MN完成檢測(計算出******的進(jìn)刀量)，自動(dòng)磨削等工序。②利用伺服實(shí)現對磨削進(jìn)刀量的雙閉環(huán)控制。③利用內部計數器和光電開(kāi)關(guān)讀取橫向拖板移動(dòng)距離。④采用觸摸屏實(shí)現了更為方便、友好的人機通訊。 

2.2 PLC控制系統構成

       控制系統由可編程邏輯控制器FBs-44MN、伺服、光電接近開(kāi)關(guān)和D/A擴展模塊以及觸摸屏元件組成，實(shí)現磨削過(guò)程中基本邏輯動(dòng)作、檢測、伺服閉環(huán)控制和人機通訊四大功能

1)伺服和定位控制器的結合模塊:磨削機要求絲杠上的刀盤(pán)在加工前后必須停拖板電機在相同的位置，以便下一加工循環(huán)，否則將造成刀具或工件損壞。準確定位在普通繼電器控制的鼠籠式交流電機上實(shí)現起來(lái)比較麻煩，我們采取伺服系統來(lái)實(shí)現定位，引人速度負反饋消除了外界參數變化和擾動(dòng)對系統狀態(tài)的影響，使該系統具有動(dòng)態(tài)響應快、定位精度高、系統穩定性好等特點(diǎn)。為了在工作過(guò)程中使精度控制在規定的誤差以?xún)龋M(jìn)刀距離通過(guò)檢測采用閉環(huán)跟蹤控制。首先是用FBs- 44MN讀取檢測時(shí)探頭接觸版輥的讀數，并根據公式顯示出版輥的直徑******，最小，平均值(與制定合適的切削量有關(guān))，然后用此時(shí)的伺服讀數減去探頭讀數，再加上需要的切削量求出比較精確的進(jìn)刀量，最后開(kāi)始整個(gè)自動(dòng)磨削過(guò)程。FBs-44MN作為智能化的定位控制器按用戶(hù)編制的定位程序向驅動(dòng)器發(fā)出定位脈沖、運行方向等，信號驅動(dòng)器按這些控制信號驅動(dòng)伺服電機帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行定位，對于伺服電機，有伺服準備、伺服結束和零位三個(gè)信號反饋，外部設定用數字開(kāi)關(guān)可將定位點(diǎn)位置和速度等數值送人定位單元，定位單元通過(guò)總線(xiàn)連接到FX系列PLC擴展口上，成為PLC控制系統中的定位智能控制環(huán)節，在定位單元內，常量的設置與監控、參數的改變可以通過(guò)使用連接到PLC上的數據存取單元完成，因此可以在運行過(guò)程中由PLC指定模塊號(這里4DA是1號模塊)，傳送定位速度等數據，并能在PLC中監視GM的實(shí)時(shí)定位信號及運行或停止狀態(tài)。相應地在PLC中分配有輸人繼電器，輸出繼電器，輔助繼電器，以及特殊輔助繼電器等設備。

       進(jìn)刀量用伺服電機來(lái)控制，伺服電機的控制由PLC實(shí)現。PLC產(chǎn)生兩路信號，一路為伺服脈沖信號，它的頻率和伺服電機的轉速成正比，它的個(gè)數決定了伺服電機旋轉的角度。另一路為方向電平信號DIR。當DIR為高電平時(shí)，電機順時(shí)針旋轉;相反，當DIR為低電平時(shí)，電機為逆時(shí)針旋轉。磨削中分為粗切和精切，精切的精度要求很高，一般切削量不能大于0.05mm，伺服前進(jìn)lmm，就發(fā)了1600個(gè)脈沖，相當于一個(gè)脈沖就前進(jìn)了0.625um，精度非常高，從而使得絲杠得到精確定位。伺服控制刀盤(pán)進(jìn)刀時(shí)，進(jìn)刀速度不是不變的，當刀盤(pán)接近版輥的時(shí)候要自動(dòng)開(kāi)始減速，以免過(guò)沖影響磨削質(zhì)量。控制刀盤(pán)進(jìn)刀的絲杠上有三個(gè)接近開(kāi)關(guān)，一個(gè)是用來(lái)原點(diǎn)定位的，另外兩個(gè)分別是進(jìn)、退接近開(kāi)關(guān)。

3) 變頻器模塊:為實(shí)現三相異步電動(dòng)機速度調整和穩定運轉，我們采用變頻器來(lái)調速電機。變頻器的模擬輸人電壓端子接受4DA速度電壓值后，根據內部設定的參數值來(lái)對異步電動(dòng)機調速。調速方式為WF型，這種調速方式在改變變頻器輸出頻率的同時(shí)改變變頻器的輸出電壓，兩者的比值為?定，以保持異步電動(dòng)機磁通不變。該調速方式簡(jiǎn)便、可靠，能夠滿(mǎn)足電機調速的要求。

4) 觸摸屏:觸摸屏與PLC相配合，使對設備的任意多的操作控制、大量的運行信息反饋通過(guò)對觸摸屏編程予與實(shí)現，PLC與觸摸屏之間通過(guò)串行接口通訊，連線(xiàn)簡(jiǎn)潔，整個(gè)系統更緊湊、美觀(guān)。 

3 系統的軟件設計

3.1 PLC控制的軟件設計 
      

       PLC控制 軟件的設計大致可以分為以下幾個(gè)模塊:上電初始化、檢測、自動(dòng)磨削、報警及報替處理。選用永宏的FBS系列PLC，其內部包含基本邏輯指令、步進(jìn)順控指令和功能指令，配合擴展模塊的特殊指令，編程靈活、修改方便且運行穩定。首先進(jìn)行初始化，初始化包括拖板、刀盤(pán)進(jìn)給絲杠和伺服的歸零，一上電伺服控制刀盤(pán)的軸快速移動(dòng)到零點(diǎn)位置，相應的伺服讀數為零，拖板也根據需要回到零點(diǎn)位置，若刀盤(pán)主軸進(jìn)給超過(guò)******給定行程時(shí)，系統發(fā)出超程報警，同時(shí)刀盤(pán)主軸自動(dòng)返回零位。比較麻煩的是不知道要切削幾次才可以達到磨削的期望值，為了提高效率，用戶(hù)可以將常用的磨削周期存儲起來(lái)以備后用，而不必重新設計磨削周期。
       2) DA模塊:版輥旋轉，刀盤(pán)旋轉，拖板移動(dòng)分別用3臺電動(dòng)機拖動(dòng)，變頻器根據輸入的版輥直徑，版輥長(cháng)度通過(guò)調用公式來(lái)調節電動(dòng)機轉速，保證磨削出一定錐度的表面。三個(gè)速度和版輥直徑，長(cháng)度之間存在著(zhù)一定的機械關(guān)系，而這種折算關(guān)系存儲在PLC中并在磨削前自動(dòng)調用出來(lái)，拖板的橫向移動(dòng)距離用接近開(kāi)關(guān)檢測，電機每轉一周檢測5個(gè)開(kāi)關(guān)(絲杠前進(jìn)10mm)，計5次數，一次計數就移動(dòng)2mm，停止時(shí)已經(jīng)記下一定的距離，當拖板退回去的時(shí)候可以根據折算好的計數值自動(dòng)停止移動(dòng)。無(wú)論刀盤(pán)轉速還是版輥轉速、拖板移動(dòng)速度發(fā)生波動(dòng)，都會(huì )影響磨削出來(lái)的表面精度，因此，當其中一個(gè)速度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，另外兩個(gè)的轉速必須迅速跟蹤。無(wú)論手動(dòng)操作時(shí)設定速度還是根據版輥直徑，長(cháng)度通過(guò)公式求得刀盤(pán)、版輥、拖板速度值，都要將其值傳給三菱變頻器。為此，我們增加4DA模塊。該模塊提供4個(gè)輸出通道(要用到3個(gè)通道),電壓輸出模式，對應于-10V-+10V。電流輸出模式，分別對應于4mA-20mA。

3.2觸摸屏畫(huà)面設計

       510T為彩色液晶，256色顯示。觸摸屏可取代操作按鈕、撥碼盤(pán)，SEGA數碼管，使本系統配置、連線(xiàn)，PLC程序更加簡(jiǎn)潔。通過(guò)組態(tài)軟件，可生產(chǎn)豐富的用戶(hù)畫(huà)面。既方便操作者使用，又便于設計者開(kāi)發(fā)，是理想的人機界面。該系統中主要設計了歡迎登錄畫(huà)面、主畫(huà)面、手動(dòng)操作畫(huà)面、粗切顯示監控畫(huà)面、粗切操作畫(huà)面、精切顯示監控畫(huà)面、精切操作畫(huà)面、故障顯示畫(huà)面和報警履歷顯示等9個(gè)基本畫(huà)面和幫助及故障詳細顯示等10個(gè)窗口畫(huà)面。這些畫(huà)面從個(gè)人電腦傳送到觸摸屏即可使用，而觸摸屏與PLC通過(guò)RS-422通信電纜連接可實(shí)現信息互通。在畫(huà)面的設計調試過(guò)程中，也可從觸摸屏上傳畫(huà)面到計算機對畫(huà)面進(jìn)行修改。歡迎登錄畫(huà)面要求操作者登錄前先輸人口令，以防非操作人員進(jìn)入后隨意修改和操作。主畫(huà)面用來(lái)選擇某項操作，按相應按鈕即切換到相應的畫(huà)面。手動(dòng)操作畫(huà)面利用觸摸鍵豐富而靈活多樣的功能設置，對設備直接進(jìn)行手動(dòng)起動(dòng)、停機控制，歸零，檢測。自動(dòng)操作畫(huà)面(分粗切、精切)主要用來(lái)設定切削量、版輥直徑、拖板移動(dòng)距離并開(kāi)始切削等動(dòng)作。監控畫(huà)面有兩個(gè)，其中一個(gè)用來(lái)顯示各限位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作情況，另一個(gè)用來(lái)顯示各輸出設備的動(dòng)作情況，兩者都以指示燈和標注文字屬性的變化來(lái)表示動(dòng)作與否。故障顯示畫(huà)面對設備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)報警，而報警履歷顯示畫(huà)面用來(lái)顯示報警的日期、時(shí)間、消息、確認時(shí)間和恢復時(shí)間，當用手觸摸某一故障時(shí)將彈出窗口畫(huà)面詳細顯示相關(guān)內容及應采取的措施。閉環(huán)控制是以要求的產(chǎn)品質(zhì)量為依準，判斷運行過(guò)程中是否有外部因素引起的切削量的不足，實(shí)時(shí)地調整切削量，經(jīng)過(guò)幾次補償，達到理想產(chǎn)品要求。


4 結束語(yǔ)

       伺服系統雙閉環(huán)控制(位置環(huán)、速度環(huán))可以把穩態(tài)誤差控制在1wm以下，遠遠小于土0.03mm，因此，本系統的精度是很高的。本文提出的應用PLC和 HMI控制磨削機設備滿(mǎn)足控制要求，在實(shí)際運行中是切實(shí)可行的。通過(guò)工業(yè)運行證明，這種系統硬件設計簡(jiǎn)單實(shí)用、工作可靠、運行靈活、性?xún)r(jià)比高，具有推廣價(jià)值。軟件編程采用模塊化設計，功能完善。采用PLC一觸摸屏結合的電氣控制方案并與機械技術(shù)組合一體，使該磨削設備結構緊湊、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高，并且設備的可維護性和靈活性大為提高。