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直聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得機械系統(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)控機床普遍采用的一種系統(tǒng)，其特點是在伺服電機上加裝編碼器，通過檢測伺服電機的轉(zhuǎn)角，間接檢測移動部件的位移量，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)是控制電動機轉(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)動放大器組成。位置環(huán)是控制坐標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

　　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)動源MR-J3-100A型、三菱伺服電機HF—SP102／1kW組成交流伺服進給數(shù)控系統(tǒng)，替代原機床控制電路，改造后的電氣控制系統(tǒng)組成框。

　　2.2 變頻驅(qū)動裝置

　　為此系統(tǒng)配備變頻器，分別驅(qū)動控制工件軸、砂輪軸和磨架振蕩電機。操作人員依據(jù)磨削加工要求設(shè)定變頻速度參數(shù)，在磨削加工過程中，PLC控制變頻器運行和監(jiān)視變頻器運行狀態(tài)，當變頻器發(fā)生過電流，過電壓、過載、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，與交流伺服電動機配套使用，可以完成半閉環(huán)位置控制及速度控制，配備兩軸聯(lián)動位置控制單元可以進行實時插補控制，實現(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操作法。采用直接操作法時，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現(xiàn)線性插補；采用存儲操作法時，定位序列(單獨的定位操作，包含位置和速度之類的數(shù)據(jù))提前傳輸?shù)絇CU內(nèi)部存儲器中，PCU單元通過序列號執(zhí)行定位。采用高端PLC設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)，需根據(jù)控制精度、運行速度和運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專用指令控制脈沖輸出，實現(xiàn)定程、點動、返回原點和原點搜索等運動控制。數(shù)控系統(tǒng)準確實現(xiàn)粗、精、光磨削加工和軸承磨床快進、快退幾個階段的速度控制和位置控制的運動軌跡。

　　2.4 交流伺服驅(qū)動器

　　MR—J3系列驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，通過偏差計數(shù)器與位控單元PCU發(fā)出的脈沖串進行比較，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，通過安裝有伺服軟件的個人計算機就能進行參數(shù)設(shè)置和試運行、狀態(tài)顯示監(jiān)控和增益調(diào)整等操作，也可手動設(shè)置參數(shù)，具有較高水平自整定功能和振動抑制功能。與MR-J3系列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈沖／轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，具有高速／大轉(zhuǎn)矩特性，驅(qū)動器功率的選擇通過電機功率及機械傳動負載決定。

　　2.5 交流伺服電機選擇

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

　　2.6 觸摸屏人機界面設(shè)計

　　高端軸承磨床數(shù)控系統(tǒng)可選用觸摸屏人機界面，采用組態(tài)工具軟件和圖形庫(開關(guān)、燈、棒圖等)以及動畫功能等，按照磨削工藝流程要求進行系統(tǒng)操作界面設(shè)計。下面以MZ208磨削數(shù)控系統(tǒng)操作界面為例介紹設(shè)計過程和效果。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個子畫面，分別是調(diào)整畫面、報警畫面、自動畫面、參數(shù)設(shè)置畫面和故障診斷畫面。系統(tǒng)上電自動進入主界面，在主界面上點擊操作可轉(zhuǎn)移相應(yīng)的子界面。調(diào)整畫面用于快進、快退、慢進、慢退、返回、零位設(shè)置、磨架進出、砂輪修整等手動操作，為設(shè)備調(diào)試提供便利；報警畫面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設(shè)計，對x軸極限位置、驅(qū)動器工作狀態(tài)、主軸變頻運行狀態(tài)和位控單元等實時監(jiān)測和自動報警，當發(fā)生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息(故障代碼及應(yīng)對措施等)，自動畫面顯示x軸當前位置、工步狀態(tài)、加工周期、加工數(shù)鼉等信息；參數(shù)設(shè)置畫面可設(shè)置數(shù)控磨削相關(guān)參數(shù)；故障診斷畫面町以了解I/O接口信號的通斷狀態(tài)，出現(xiàn)異常可快速排除故障。人機界面應(yīng)用程序可脫機編制和調(diào)試，然后下載到觸摸屏上運行，PLC一般通過RS232接口與觸摸屏相連。許多觸摸屏還配備并行接口，可直接與打印機連接，實時打印數(shù)據(jù)或進行屏幕拷貝。

3 軟件設(shè)計

　　單軸磨床主要是通過控制砂輪磨架的前后運動與進給機構(gòu)相配合，完成磨削過程的。控制的要點在于磨削進給機構(gòu)的動作，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，在計算機上編程調(diào)試后下載到數(shù)控系統(tǒng)。工作程序包括手動加工程序、自動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，結(jié)構(gòu)明晰、調(diào)試方便，可實現(xiàn)電氣原點的手動設(shè)置、手動調(diào)整模式與自動運行模式的切換、單次運行(半自動)與連續(xù)自動運行的自由切換、以及順序復(fù)位。對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，從而實現(xiàn)進給機構(gòu)的定位控制。加工過程參數(shù)由操作人員根據(jù)加工工藝通過觸摸屏隨機設(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、操作存儲器區(qū)域。公共參數(shù)區(qū)域用來設(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)域的開始字由PCU設(shè)置的單元號決定，公共參數(shù)區(qū)域的開始字m=D20000+100x單元號，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)域開始字m+4~m+31，軸參數(shù)功能包括脈沖輸出類型、輸入信號邏輯以及由PCU控制的軸操作模式等；操作存儲器區(qū)域是CIo區(qū)域中分配給用來向Pcu輸出命令的輸出和用來監(jiān)測PcU狀態(tài)的輸入的區(qū)域，操作存儲器區(qū)域的開始字n=2000+10x單元號，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、進給速度、加速時間、減速時間等。

　　軸承磨床采用交流伺服數(shù)控化改造后，使老機床具備了數(shù)控軸承磨床的優(yōu)點，達到了數(shù)控軸承磨床的精度要求，床身幾何精度檢驗實測重復(fù)定位精度1μm，機床性能穩(wěn)定可靠，機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。