摘 要：本文介紹了HOLLiAS® LM系列PLC在雙頭磨床上的應(yīng)用。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議進(jìn)行上、下位機(jī)通訊，利用高速PTO脈沖輸出方式控制兩個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙磨頭進(jìn)行上下進(jìn)給工作，采用開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)控制變頻器調(diào)節(jié)磨盤(pán)轉(zhuǎn)速。本數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，精度高，具有很高的可靠性和性能價(jià)格比。

關(guān)鍵詞：雙頭磨床; PLC; Modbus通訊;伺服運(yùn)動(dòng)控制;變頻器

The Application Of HOLLiAS PLC In The Double-headed Grinding Machine

Abstract: This paper introduces the application of HOLLiAS PLC in double-headed grinding machine, including communicating through the standard MODBUS protocol between the upper and lower machines, the use of high-speed PTO pulse controlling two servo motors to drive the Double-headed Grinding Machine, and the use of DO signal controlling Inverter to regulate the rotation speed. The numerical control system implements the mechanical and electrical integration. It is of high precision, high reliability and cost performance.

Keywords: Double-headed Grinding Machine; PLC; Modbus Communication; Servo Control; Inverter

1 引言

　　磨床是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床。十八世紀(jì)30年代，為了適應(yīng)鐘表、自行車、縫紉機(jī)和槍械等零件淬硬后的加工，英國(guó)、德國(guó)和美國(guó)分別研制出使用天然磨料砂輪的磨床。1876年在巴黎博覽會(huì)展出的美國(guó)布朗-夏普公司制造的萬(wàn)能外圓磨床，是首次具有現(xiàn)代磨床基本特征的機(jī)械。1900年前后，人造磨料的發(fā)展和液壓傳動(dòng)的應(yīng)用，對(duì)磨床的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。隨著近代工業(yè)特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，各種不同類型的磨床相繼問(wèn)世。自動(dòng)測(cè)量裝置于1908年開(kāi)始應(yīng)用到磨床上。到了1920年前后，無(wú)心磨床、雙端面磨床、軋輥磨床、導(dǎo)軌磨床，珩磨機(jī)和超精加工機(jī)床等相繼制成使用;50年代又出現(xiàn)了可作鏡面磨削的高精度外圓磨床;60年代末又出現(xiàn)了砂輪線速度達(dá)60～80米/秒的高速磨床和大切深、緩進(jìn)給磨削平面磨床;70年代，采用微處理機(jī)的數(shù)字控制和適應(yīng)控制等技術(shù)在磨床上得到了廣泛的應(yīng)用。

　　本文所設(shè)計(jì)的機(jī)床應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)和緩進(jìn)深切成形強(qiáng)力磨削工藝，技術(shù)先進(jìn)，適用于磨削航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)葉片樅樹(shù)根、直線導(dǎo)軌等典型型面，以及磨削其它各種難磨材料零件的對(duì)稱和非對(duì)稱型面。

2 磨床設(shè)備介紹

　　2.1 磨床設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖1 設(shè)備外形圖

圖2 加工工藝簡(jiǎn)圖

　　本機(jī)床主機(jī)為立軸矩臺(tái)型式，無(wú)橫向移動(dòng)。有左右兩個(gè)磨頭，在立柱兩側(cè)各自作垂直升降，可對(duì)安裝在工作臺(tái)夾具上突出于工作臺(tái)臺(tái)面的工件同時(shí)磨削。

　　工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)由三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流電機(jī)可由變頻器進(jìn)行加減速控制;左右磨頭垂直進(jìn)給均采用交流伺服電機(jī)及滾珠絲杠副系統(tǒng)，左右磨頭的旋轉(zhuǎn)由三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，交流電機(jī)可由變頻器進(jìn)行加減速控制。機(jī)床由冷卻沖洗泵提供高壓、大流量磨削液，并通過(guò)紙質(zhì)過(guò)濾裝置加多級(jí)沉淀進(jìn)行凈化處理，效果良好。

　　機(jī)床具有磨削成形精度高，型面表面質(zhì)量好，磨削效率高等特點(diǎn)。機(jī)床實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化。

　　2.2 磨床工藝原理

　　該磨床工藝對(duì)系統(tǒng)的控制要求主要分首次設(shè)定、開(kāi)機(jī)復(fù)位和自動(dòng)工作三個(gè)部分，對(duì)左右(A、B)磨頭可單獨(dú)進(jìn)行升降控制，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制，如下：

　　1)首次設(shè)定：開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)應(yīng)處于手動(dòng)狀態(tài)，按觸摸屏上的首次設(shè)定(復(fù)位開(kāi)關(guān))按鈕，再按微量定位(復(fù)位開(kāi)關(guān))按鈕，A臂與B臂可以下降。此時(shí)，A升降下限，A升降下軟限，B升降下限，B升降下軟限，無(wú)效?？墒謩?dòng)將A，B，磨盤(pán)下降至工作臺(tái)面，此時(shí)按完成按鈕，可以將磨盤(pán)A高度，磨盤(pán)B高度同時(shí)清零，并且A，B先后上升，當(dāng)磨盤(pán)上升動(dòng)作與下面的復(fù)位動(dòng)作完全相同。

　　2)開(kāi)機(jī)復(fù)位：系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后手動(dòng)有效，按開(kāi)機(jī)復(fù)位(復(fù)位開(kāi)關(guān))按鈕，A磨盤(pán)開(kāi)始上升，上升期間如經(jīng)過(guò)光電傳感器信號(hào)不處理，直到A磨盤(pán)上升到A軟復(fù)上限后A磨盤(pán)下降，下降到光電傳感器信號(hào)時(shí)，將此時(shí)A磨盤(pán)的高度賦給光基高度，然后A磨盤(pán)抬起5厘米。然后B磨盤(pán)開(kāi)始上升，上升期間如經(jīng)過(guò)光電傳感器信號(hào)不處理，直到B磨盤(pán)上升到B軟復(fù)上限后B磨盤(pán)下降，下降到光電傳感器信號(hào)時(shí)，將此時(shí)光基高度賦給B，然后B磨盤(pán)抬起5厘米。此時(shí)如果A高度與B高度不相等。應(yīng)產(chǎn)生蜂鳴報(bào)警。提示重新復(fù)位。(應(yīng)考慮A，B高度差的設(shè)定)

　　3)自動(dòng)工作：在參數(shù)設(shè)定畫(huà)面中輸入目標(biāo)高度，毛坯高度，每次進(jìn)給量，精磨量，按自動(dòng)啟(復(fù)位開(kāi)關(guān))按鈕，磨盤(pán)A B 或A或B(磨盤(pán)A選擇，磨盤(pán)B選擇按鈕決定)磨盤(pán)A B開(kāi)始下降，下降距離應(yīng)為(磨盤(pán)A高度-毛坯高度)，此時(shí)工作臺(tái)應(yīng)旋轉(zhuǎn)。工作臺(tái)接近開(kāi)關(guān)每次動(dòng)作，磨盤(pán)AB按照每次進(jìn)給量下降一次(毛坯高度-目標(biāo)高度為剩余的下降量，[(毛坯高度-目標(biāo)高度)-精磨量]/ 每次進(jìn)給量為每次進(jìn)給的次數(shù))，最后下降高度為精磨量，下降結(jié)束后，工作臺(tái)在旋轉(zhuǎn)一圈停止。同時(shí)磨盤(pán)A B上升到上軟限位后停止，自動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

3 控制系統(tǒng)介紹

　　3.1 PLC介紹

　　3.1.1 PLC工作原理

　　PLC工作方式又掃描方式和中斷方式，所謂掃描方式是周而復(fù)始的執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)循環(huán)執(zhí)行一次稱為一個(gè)掃描周期，其掃描的工作過(guò)程如下：

　　(1)讀輸入：將物理輸入點(diǎn)上的狀態(tài)復(fù)制到輸入過(guò)程映像寄存器中。

　　(2)執(zhí)行邏輯控制程序：執(zhí)行程序指令并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在變量存儲(chǔ)區(qū)中。

　　(3)處理通訊請(qǐng)求：即執(zhí)行通訊任務(wù)。

　　(4)執(zhí)行CPU自診斷：檢測(cè)固件、程序存儲(chǔ)器和擴(kuò)展模塊是否工作正常。

　　(5)寫(xiě)輸出：在輸出過(guò)程映像寄存器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)被復(fù)制到物理輸出點(diǎn)。

　　中斷方式是指當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)則立即執(zhí)行一次相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，不受掃描周期的影響，響應(yīng)速度快，從而進(jìn)一步提高了PLC控制的可靠性。中斷事件不發(fā)生時(shí)，不掃描中斷服務(wù)程序，這樣可以節(jié)約掃描時(shí)間，減少掃描周期。

　　3.1.1 PLC特點(diǎn)

　　(1)PLC邏輯判斷和控制能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好。PLC從硬件上采用隔離、濾波措施有效地抑制和消除了干擾。

　　(2)擴(kuò)展性和柔性好，且可移植性好，在不改變硬件的情況下，只改變軟件的程序就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

　　(3)編程語(yǔ)言豐富，可以采用不同語(yǔ)言編寫(xiě)程序，HOLLiAS® LM系列PLC支持6種編程語(yǔ)言，包括：梯形圖(LD)、指令表(IL)、結(jié)構(gòu)化文本(ST)、功能塊圖(FBD)、順序功能圖(SFC)和連續(xù)功能圖(SFC)。給編寫(xiě)程序帶來(lái)很大方便。

　　3.2 控制系統(tǒng)方案

　　控制系統(tǒng)上位機(jī)采用和利時(shí)HT6600C系列觸摸屏，下位機(jī)CPU選用和利時(shí)LM3108 PLC控制器，上、下位機(jī)之間走RS232串口線通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊。CPU內(nèi)部通過(guò)邏輯編程處理來(lái)自觸摸屏以及按鈕、傳感器、限位開(kāi)關(guān)等信號(hào)控制2臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和3臺(tái)變頻器。圖3為控制系統(tǒng)配置圖。

圖3 控制系統(tǒng)配置圖

　　3.3控制系統(tǒng)硬件

　　3.3.1 PLC選型

　　本系統(tǒng)采用HOLLiAS LM系列PLC控制，配置1個(gè)CPU模塊LM3108、1個(gè)4通道數(shù)字量輸入模塊/4通道繼電器輸出模塊LM3231和1個(gè)8通道模擬量輸入模塊LM3313。

　　1)CPU模塊：LM3108模塊的額定工作電壓為DC24V，自帶40點(diǎn)I/O，提供24路DC24V輸入/16路晶體管輸出處理。具有兩路20KHz高速輸出，1個(gè)RS232和1個(gè)RS485通訊接口，支持專有協(xié)議(僅RS232)/Modbus RTU協(xié)議/自由協(xié)議。

　　2)數(shù)字量擴(kuò)展模塊：LM3231模塊包含4路數(shù)字量輸入處理通道和4路繼電器輸出處理通道，輸出額定負(fù)載的電壓為24V DC或220VAC，主要完成數(shù)字量信號(hào)的輸入/輸出工作。

　　3)模擬量擴(kuò)展模塊：LM3313模塊提供8通道模擬量輸入通道，輸入范圍-10-10V電壓信號(hào)和-20-20mA電流信號(hào)可選，主要完成現(xiàn)場(chǎng)模擬量的輸入、采集與處理工作。

　　下表1為系統(tǒng)I/O分配表。

　　表1 系統(tǒng)I/O分配表

　　3.3.2 監(jiān)控部分

　　上位監(jiān)控部份采用和利時(shí)HT6600系列觸摸屏，配以監(jiān)控軟件來(lái)完成。觸摸屏上可以設(shè)定加工參數(shù)、軟限位參數(shù)，進(jìn)行設(shè)備啟?？刂疲@示開(kāi)關(guān)點(diǎn)狀態(tài)及變頻器故障、超限位故障等報(bào)警信息。圖4-圖7為觸摸屏部分監(jiān)控畫(huà)面。

圖4 報(bào)警畫(huà)面

圖5 手動(dòng)操作畫(huà)面

圖6 自動(dòng)操作畫(huà)面

圖7 參數(shù)設(shè)定畫(huà)面

4 結(jié)論

　　采用和利時(shí)可編程控制器、觸摸屏以及伺服驅(qū)動(dòng)器，為磨床設(shè)備提供了機(jī)電一體化的系統(tǒng)解決方案，可進(jìn)行單獨(dú)和聯(lián)動(dòng)控制，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)磨削循環(huán)，提高了磨床的自動(dòng)化程度。同時(shí)，控制系統(tǒng)提供非常高的運(yùn)算速度和控制精度，保證了工件磨削表面的加工精度，具有很高的可靠性和性能價(jià)格比，在保證質(zhì)量的同時(shí)，最大化的降低生產(chǎn)成本。

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