PLC三轴定位功能在微型轴承外滚道磨床中的应用

康正坡，王高峰，张亚平

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

目前，在轴承外滚道磨床控制系统中，磨架进给和工件进给采用伺服控制，而砂轮修整器多采用液压驱动，这样的系统都属于两轴定位。在微型轴承外滚道磨床中，由于加工的轴承外径范围小(5～30 mm)，修整砂轮时，圆弧修整摆动的角度非常小，还要求速度平稳。此时，液压驱动的圆弧修整器想要达到使用要求比较困难。因此，微型磨床圆弧修整器改用伺服电动机控制，伺服电动机可以准确地控制修整器的旋转角度和速度，修整精度高且操作简单。这样，该微型磨床控制系统就需要3个方向的伺服控制，即三轴定位。而现在大多数PLC仅能实现两路伺服控制，实现三轴定位需另加定位模块，或者使用高端的PLC,这两种方案都会使控制成本明显增加。下文介绍采用FX-3G系列 PLC实现3路高速脉冲输出，用于控制3个伺服系统的方法。

1 系统工作原理

控制系统工作原理如图1所示。PLC根据人机界面(触摸屏)设置参数及命令来控制机床实现相应的动作。触摸屏不仅可以实现工件、磨架、修整3个方向上的参数调整及运行监控，还可以实现机床各部件的报警监控，既方便用户操作，又可实时监控机床的运行状态。

图1 系统工作原理图

2 系统硬件设计

2.1 可编程控制器

FX-3G PLC是三菱第3代小型可编程控制器，具有高速、可扩展、低成本等特点，单条节点命令处理时间为0.21 μs，单条应用命令处理时间为0.5 μs，具有独立三轴简易定位功能。该PLC是整个磨床控制的核心，可实现磨床的三轴定位，还具有机床保护信号和位置信号采集，对工件和磨架电动机变频器及冷却电动机的控制，磨削参数的保存和磨削控制流程的实现等功能。

2.2 人机界面

人机界面选用施耐德GXO-3501触摸屏，并集成1个mini usb口，1个RS485通信端口和1个RS232通信端口，使用该触摸屏即可完成机床参数设置以及运行状态的监控。

2.3 伺服电动机及驱动装置

伺服驱动器接收来自PLC的控制脉冲，驱动伺服电动机作正反向转动。伺服驱动装置和伺服电动机选用LXM23D系列驱动器和BCH系列伺服电动机，通过设置伺服电动机的电子齿轮比，机床工件和磨架进给精度可以达到0.1μm/pulse，修整器旋转精度达到0.01°/pulse 。

2.4 硬件接线说明

PLC与三伺服电动机及触摸屏接线图如图2所示。其中Y0，Y1，Y2为PLC的高速脉冲输出端，其最大频率可以达到100 kHz，分别为X轴，Y轴，圆弧修整伺服提供高速脉冲。Y4，Y5，Y6为伺服方向信号输入端，用来控制伺服电动机的旋转方向。X10，X15，X17为PLC输入端，分别接3个伺服电动机的报警端，当伺服电动机出现故障时闭合，将报警信号输入PLC。X11，X16，X17接3个伺服电动机编码器Z相脉冲输出端。

图2 PLC三轴定位接线图

3 PLC软件设计

3.1 主程序设计

主程序主要是实现故障检测、自动手动之间的切换、进给位置及急停处理等功能。在机床出现故障时，PLC要把出现故障的元件停止并将故障状态通过触摸屏显示；当按下机床急停按钮时，PLC能迅速将工作的各个部件安全停止；在无故障和急停情况下，实现手动和自动的自由切换。其控制流程如图3所示。

图3 主程序流程图

3.2 自动子程序

当自动条件满足时，按循环启动按钮，系统进入自动磨削过程，机床按照图4所示流程按步执行。一个循环结束，系统首先判断修整条件是否满足，如果满足修整条件，系统按照设置的修整参数进行修整，修整完成后再进行自动磨削过程。由于PLC是循环扫描工作方式，当系统出现故障或紧急停车时，主程序会检测到事件的发生，此时，系统会自动退出自动磨削过程，进行相应的处理。

图4 自动程序流程图

3.3 定位功能的实现

PLC通过定位指令DRVI或DRVA来实现定位功能，三菱FX其他系列PLC定位指令的基底速度受最高速度和加减速时间限制，当伺服进给速度设置低于DRVI指令基底速度时，需要另编写程序实现定位功能。FX3G系列PLC定位指令DRVI和DRVA允许最低频率范围为10 Hz，而3MK143B的精度为0.1 μm/pulse，DRVI的速度最低可以达到1 μm/s，完全可以满足控制系统的需要，从而简化了程序的编写，系统的稳定性增强。

FX3G PLC要实现三轴定位功能，必须对各路脉冲的控制参数进行设置，其设定值见表1。

表1 FX3G PLC定位功能参数设定表

3.4 原点返回的实现

当PLC使用Y0定位时，Y0输出脉冲，Y4输出方向信号。对应表1中的当前值寄存器D8340，D8341就会增减，当PLC的电源一旦关闭，当前值寄存器中的当前值会被清除，因此上电后，务必要将机械位置和当前寄存器的位置对准；其他Y1，Y2定位功能也需要机械位置和对应的当前寄存器位置对准。常用的方法就是执行原点回归指令，FX-3G PLC中原点是磨床控制系统的基准点，控制系统保持每次返回原点时都准确停止在某个特定的机械位置，这是保证磨床控制系统稳定性的前提。FX-3G PLC新增带DOG点搜索的原点回归指令DSZR，该指令需要2个信号输入，一个是DOG点信号，一个是清零信号。DOG点信号通过接近开关实现，清零信号接编码器的Z相回零点，当伺服电动机走到DOG点时开始减速，当捕捉到Z相脉冲零点时，定位结束，伺服电动机停止。DSZR原点回归指令每次都能使伺服电动机准确回到机械原点，可靠性高。

4 结束语

利用三菱FX-3G PLC和触摸屏很容易就实现了微型轴承外滚道磨床三轴定位的需要，在实际使用过程中，该控制系统操作简单，控制精度高，可靠性好，在微型磨床上有较高的应用价值。