欧姆龙 PLC CJ1M系列在珩磨机上的应用

一、概述
珩磨机由工作台和主轴组成，其中主轴旋转由变频器驱动，其转速需根据工艺要求调整，主轴上、下往复由液压驱动，液压阀门开关控制方向和速度，上、下换向点坐标可以根据所加工的发动机的种类任意修改，并完成往复行程的准确计量。工作台要求根据发动机缸孔位自动控制移动，其中V字形发动机包括平移和旋转两个轴，普通发动机只有平移轴，系统要求能够根据所加工的发动机的种类不同，在人机界面中可设置发动机的缸孔数量，每个缸孔的坐标，加料点和出料点坐标，要求在人机界面中设置。系统要求按照设定的预珩、粗珩、精珩等时间，主轴往复、旋转、和工作台相互配合工作，达到自动珩磨加工的要求。坐标要求高精度位置控制。根据珩磨机对控制系统的要求，经过反复论证，提出了相应的控制方案：使用欧姆龙公司的CJ1M-CPU22作为控制核心，这种PLC可控制I/O点数为:320点，程序容量10K步，基本指令运行时间0.1μs。具有外设口和RS-232C接口，CPU内置10点输入，6点输出。其中输入包含4个中断输入或2个高速计数器输入（单相输入:100kHz或相位差输入：50kHz），输出包含2个脉冲输出100kHz速度控制或PWM输出，内置位控功能。CJ1M具有的功能块功能，在程序编制过程中，可以减少相同功能程序的重复劳动。在本系统中完全满足珩磨机的工作需求。根据珩磨机控制系统要求。
二、高速计数器
高速计数器端口一接主轴上、下往复部分的旋转编码器，对主轴往复位置用硬件进行计算;旋转编码器选择欧姆龙的E6B2型带A、B相脉冲的旋编，与高速计数端口连接，选择差相输入，可达到四倍频高精度计数。旋编每转的脉冲数选择应考虑到对主轴上、下往复运动的测量精度，并考虑CJ1M的高速输入口单相输入频率低于100kHz，相位差输入时频率应低于50kHz。机械设备应设置固定原点接近开关，在需要确定坐标时，主轴到原点对零，并赋初值。上、下换向坐标点通过触摸屏输入，保存在相应的地址中，为了保证快速换向，使用中断方式，保证到换向点后，CPU优先执行换向程序。在珩磨机工作中，换向指令发出后，到真正换向时，磨头实际达到的位置很难通过常用的测量仪器检测，可以利用高速计数方式把每个扫描周期采集到的坐标值保存到DM区中，反复检测若干个往复周期，依照这些保存下来的数据，可以检测到主轴往复的一致性，每次的过冲量，为换向的设计积累经验，同时为设备的机械设计提供了参考数据。当然编制此测程序时，要删除其他工作程序，力求数据记录程序精炼、简短，以缩小扫描周期，因为换向工作是采用中断方式，这种检测方式基本能够反映磨头实际的换向点坐标。
三、伺服控制系统
用1#位置控制端口接平移轴伺服控制系统，如果有旋转轴，则用2#位置控制端口连接旋转轴伺服控制系统。伺服系统选择欧姆龙W系列伺服，CJ1M的位置控制输出脉冲最大频率100kHz，在选用时要保证控制精度与工作台运行速度之间的协调统一，缸孔的数量、每个缸孔的坐标、上料点、下料点坐标均通过触摸屏输入，在CJ1M的位置控制中，要求用户设定原点搜索时操作模式，搜索方向定义以及遇到限位开关后的搜索方向，搜索原点时的加、减速度、正常工作时的加、减速度等，这些功能均在CPU中一次性完成设置，在编制程序中不必再考虑这些步骤，简化了程的设计。在程序中需考虑脉冲当量，并据此编制专用功能块程序，将触摸屏输入的公制坐标转换为脉冲量，并把坐标的脉冲量转换为公制坐标以便触摸屏正确显示。根据珩磨机的实际工作情况，在CJ1M中采用绝对坐标方式，既可以消除累积误差，也可简化程序，程序设置中除考虑按设定坐标自动工作外，同时要设计手动操作移动工作台的程序，以便操作人员对机床的自由操控。伺服系统设计为半闭环控制方式，伺服电机的旋转编码器直接接入到伺服驱动器中，伺服驱动器接收CJ1M发布的位置控制脉冲，并在完成定位后向CJ1M发送定位完成信号，在W系列伺服驱动器中设置控制方式与CJ1M输出完全相同，W系列的电子齿轮比在工作中，可以简化脉冲当量的计算，通过简单地设置电子齿轮比，可以按照CJ1M所发的脉冲数据控制电机按程序设定的转速曲线到达控制目标点。
四、变频器的控制
CJ1M根据工艺要求计算出电机转速，并转换为变频器的频率值，通过模拟量模块控制变频器的输出频率。变频器选用3G3MV型，使用开环矢量控制方式，电机转速不会因磨头涨紧加大工作力矩而降低转速，可使珩磨时上、下运行的旋转纹路成接近于最佳45°的夹角，以确保产品的质量和含油性能。
五、人机界面
人机界面选择NS8型触摸屏，利用CX-Designer软件可以方便制作画面。与CPU的RS-232接口相连，通讯采用NT-LINK协议，通讯速度可达115kbps。在珩磨机中，触摸屏具有以下的功能：
1、用来显示工作台的工作坐标，主轴的工作状态，设置主轴的转速、上下换向点坐标，工作台的工作坐标。粗珩、精珩时间设置，操作工作台搜索零点，珩孔数量及每个珩孔座标设置等。
2、在触摸屏中，设定了每个工作参数设置的工作范围，可以防止操作人员输入错误的工作参数，画面可以调用输入键盘，方便操作输入。在重要的参数设置中，可以设置密码，防止无关人员修改数据造成不必要的损失。
3、利用触摸屏的界面操作功能，可以替代外部按钮实现工作台的直接操作。在操作过程中可实时显示工作台是否已确立原点坐标系、当前工作坐标，可执行回零操作、单步移动操作，也可快速移动工作台，并显示出左、右极限位置。也可以按设定的绝对坐标一步移动到目标位置，画面设计力求简捷易懂，利用NS系列屏的方便性提高产品的人性化操作。
4、利用触摸屏的人机交互功能，可以预置一些帮助画面，当操作人员在遇到操作问题时，可以借助画面帮助解决遇到的一些简单问题;相应的报警画面可以对重要的故障报警提示。
六、系统调试
为方便调试，个人电脑通过USB接口与NS8相连，传送触摸屏画面，PLC通过专用的外设口转RS-232接口的适配器（型号：CS1W-CN118）和RS-232线缆与个人电脑相连，这样在调试设备时，不必频繁插拔通讯电缆，提高调试效率。珩磨机第一次上电后，先设置触摸屏上的各种加工参数，这些参数保存在PLC的数据存贮器中，失电时由电池保持数据不被丢失，下次上电后，只修改加工件改变的参数，没有变化
的参数不必再修改。开始自动加工后，待加工的发动机件原料从进料点由外部设备移到工作台，由操作人员安装好并开始依次加工每个缸孔，每加工完一个，工作台即移动到下一个孔位，再磨下一个孔，待所有孔位磨完后，工作台移动到出料点，由外部设备运走后，再开始下一台发动机的加工。
七、小结
该系统结构简单,性能稳定,可靠，在宁夏中卫大河机床有限公司通过实用测试，完全达到设计目标，在中、高端珩磨机的市场中占据了一席之地，由于PLC编程的灵活性，设计师的设计思路可以方便地贯穿到程序中，大河机床几十年来的设计、生产经验，以及国际市场的最新理念在此机床中都得到了体现，其中的功能以及程序设计方便了用户的操作，拓展了市场，在实践中，大河厂完成了诸如：主轴往复的重复精度测量，缸孔直径在线测量，梯形缸孔的自动修形等专题的攻关，经过不断努力，已实现量产，当然这些都属于该厂的知识产权，这里不再赘述。