和利时LM系列PLC在双头磨床上的应用

   摘要  本文介绍了HOLLiAS® LM系列PLC在双头磨床上的应用。通过标准MODBUS协议进行上、下位机通讯，利用高速PTO脉冲输出方式控制两个伺服电机驱动双磨头进行上下进给工作，采用开关量输出信号控制变频器调节磨盘转速。本数控系统实现了机电一体化，精度高，具有很高的可靠性和性能价格比。
   关键词 双头磨床; PLC; Modbus通讯;伺服运动控制;变频器

1 引言

      磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。1876年在巴黎博览会展出的美国布朗-夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。1900年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。随着近代工业特别是汽车工业的发展，各种不同类型的磨床相继问世。自动测量装置于1908年开始应用到磨床上。到了1920年前后，无心磨床、双端面磨床、轧辊磨床、导轨磨床，珩磨机和超精加工机床等相继制成使用；50年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床；60年代末又出现了砂轮线速度达60～80米/秒的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床；70年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。

      本文所设计的机床应用计算机数控技术和缓进深切成形强力磨削工艺，技术先进，适用于磨削航空发动机和汽轮机叶片枞树根、直线导轨等典型型面，以及磨削其它各种难磨材料零件的对称和非对称型面。

2 磨床设备介绍

2.1 磨床设备结构

图1 设备外形图

     本机床主机为立轴矩台型式，无横向移动。有左右两个磨头，在立柱两侧各自作垂直升降，可对安装在工作台夹具上突出于工作台台面的工件同时磨削。
     工作台的旋转由三相交流电机驱动，交流电机可由变频器进行加减速控制；左右磨头垂直进给均采用交流伺服电机及滚珠丝杠副系统，左右磨头的旋转由三相交流电机驱动，交流电机可由变频器进行加减速控制。机床由冷却冲洗泵提供高压、大流量磨削液，并通过纸质过滤装置加多级沉淀进行净化处理，效果良好。
     机床具有磨削成形精度高，型面表面质量好，磨削效率高等特点。机床实现了机电一体化。

2.2 磨床工艺原理
     该磨床工艺对系统的控制要求主要分首次设定、开机复位和自动工作三个部分，对左右（A、B）磨头可单独进行升降控制，也可实现自动联动控制，如下：

1)首次设定：开机后，系统应处于手动状态，按触摸屏上的首次设定（复位开关）按钮，再按微量定位（复位开关）按钮，A臂与B臂可以下降。此时，A升降下限，A升降下软限，B升降下限，B升降下软限，无效。可手动将A，B，磨盘下降至工作台面，此时按完成按钮，可以将磨盘A高度，磨盘B高度同时清零，并且A，B先后上升，当磨盘上升动作与下面的复位动作完全相同。

2)开机复位：系统开机后手动有效，按开机复位（复位开关）按钮，A磨盘开始上升，上升期间如经过光电传感器信号不处理，直到A磨盘上升到A软复上限后A磨盘下降，下降到光电传感器信号时，将此时A磨盘的高度赋给光基高度，然后A磨盘抬起5厘米。然后B磨盘开始上升，上升期间如经过光电传感器信号不处理，直到B磨盘上升到B软复上限后B磨盘下降，下降到光电传感器信号时，将此时光基高度赋给B，然后B磨盘抬起5厘米。此时如果A高度与B高度不相等。应产生蜂鸣报警。提示重新复位。（应考虑A，B高度差的设定）

3)自动工作：在参数设定画面中输入目标高度，毛坯高度，每次进给量，精磨量，按自动启（复位开关）按钮，磨盘A B 或A或B（磨盘A选择，磨盘B选择按钮决定）磨盘A B开始下降，下降距离应为（磨盘A高度-毛坯高度），此时工作台应旋转。工作台接近开关每次动作，磨盘AB按照每次进给量下降一次（毛坯高度-目标高度为剩余的下降量，[（毛坯高度-目标高度）-精磨量]/ 每次进给量为每次进给的次数），最后下降高度为精磨量，下降结束后，工作台在旋转一圈停止。同时磨盘A B上升到上软限位后停止，自动过程结束。

3 控制系统介绍

3.1 PLC介绍
3.1.1 PLC工作原理
     PLC工作方式又扫描方式和中断方式，所谓扫描方式是周而复始的执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期，其扫描的工作过程如下：

（1）读输入：将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器中。
（2）执行逻辑控制程序：执行程序指令并将数据存储在变量存储区中。
（3）处理通讯请求：即执行通讯任务。
（4）执行CPU自诊断：检测固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。
（5）写输出：在输出过程映像寄存器中存储的数据被复制到物理输出点。

     中断方式是指当中断事件发生时则立即执行一次相应的中断服务程序，不受扫描周期的影响，响应速度快，从而进一步提高了PLC控制的可靠性。中断事件不发生时，不扫描中断服务程序，这样可以节约扫描时间，减少扫描周期。

3.1.2 PLC特点
（1）PLC逻辑判断和控制能力强，抗干扰能力强，可靠性好。PLC从硬件上采用隔离、滤波措施有效地抑制和消除了干扰。
（2）扩展性和柔性好，且可移植性好，在不改变硬件的情况下，只改变软件的程序就可以实现不同的功能。
（3）编程语言丰富，可以采用不同语言编写程序，HOLLiAS® LM系列PLC支持6种编程语言，包括：梯形图（LD）、指令表（IL）、结构化文本（ST）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）和连续功能图（SFC）。给编写程序带来很大方便。 nextpage

3.2 控制系统方案
    控制系统上位机采用和利时HT6600C系列触摸屏，下位机CPU选用和利时LM3108 PLC控制器，上、下位机之间走RS232串口线通过标准MODBUS协议进行通讯。CPU内部通过逻辑编程处理来自触摸屏以及按钮、传感器、限位开关等信号控制2台伺服驱动器和3台变频器。图2为控制系统配置图。

图2 控制系统配置图

3.3 控制系统硬件
3.3.1 PLC选型
     本系统采用HOLLiAS LM系列PLC控制，配置1个CPU模块LM3108、1个4通道数字量输入模块/4通道继电器输出模块LM3231和1个8通道模拟量输入模块LM3313。
1）CPU模块：LM3108模块的额定工作电压为DC24V，自带40点I/O，提供24路DC24V输入/16路晶体管输出处理。具有两路20KHz高速输出，1个RS232和1个RS485通讯接口，支持专有协议（仅RS232）/Modbus RTU协议/自由协议。
2）数字量扩展模块：LM3231模块包含4路数字量输入处理通道和4路继电器输出处理通道，输出额定负载的电压为24V DC或220VAC，主要完成数字量信号的输入/输出工作。
3）模拟量扩展模块：LM3313模块提供8通道模拟量输入通道，输入范围-10-10V电压信号和-20-20mA电流信号可选，主要完成现场模拟量的输入、采集与处理工作。下表为系统I/O分配表。

系统I/O分配表

3.3.2 监控部分
     上位监控部份采用和利时HT6600系列触摸屏，配以监控软件来完成。触摸屏上可以设定加工参数、软限位参数，进行设备启停控制，显示开关点状态及变频器故障、超限位故障等报警信息。图3-图6为触摸屏部分监控画面。

4 结论

       采用和利时可编程控制器、触摸屏以及伺服驱动器，为磨床设备提供了机电一体化的系统解决方案，可进行单独和联动控制，能实现自动磨削循环，提高了磨床的自动化程度。同时，控制系统提供非常高的运算速度和控制精度，保证了工件磨削表面的加工精度，具有很高的可靠性和性能价格比，在保证质量的同时，最大化的降低生产成本。