CJ1M系列PLC在珩磨机上的应用

摘要：汽车工业的高速发展对珩磨机的加工工艺和控制水平提出了越来越高的要求，因此用新型的控制设备和人机界面取代传统的控制方式，对于提高和改善珩磨机的功能和控制性能，具有重要意义。本文针对以PLC为珩磨机控制系统核心的组成进行阐述。

关键词: CJ1M-CPU22 珩磨机

1.引 言

    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，制订方案如附图所示。

2.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。nextpage

3.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。

4.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。

5.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：

    ⑴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。

    ⑵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。

    ⑶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。

    ⑷ 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。

6.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。

7.结束语

    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。