交流伺服技术在轴承磨床改造中的应用

1 改造方案

　　交流伺服数控技术应用于轴承磨床，将快跳油缸和谐波减速器去掉，采用滚珠丝杠和伺服电机直联结构，使得机械系统误差最小，交流伺服数控技术在轴承磨床改造中正在得到广泛应用。以MZ208内圆轴承磨床数控化改造为例，介绍交流伺服数控技术在轴承磨床改造中的应用，采用单轴半闭环伺服数控系统可满足内圆轴承磨床改造的要求，半闭环数控系统具有较高的稳定性，是目前数控机床普遍采用的一种系统，其特点是在伺服电机上加装编码器，通过检测伺服电机的转角，间接检测移动部件的位移量，然后反馈到数控装置中，半闭环伺服系统是外环为位置环、内环为速度环的控制系统。速度环是控制电动机转速的电路，由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器组成。位置环是控制坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。

2 电气控制系统设计

　　2.1电气控制系统组成

　　选用欧姆龙CJIM—CPU11型PLC、位置控制单元CJ1W-NC113，9寸触摸屏GP477R-EG41、三菱伺服驱动源MR-J3-100A型、三菱伺服电机HF—SP102／1kW组成交流伺服进给数控系统，替代原机床控制电路，改造后的电气控制系统组成框。

　　2.2 变频驱动装置

　　为此系统配备变频器，分别驱动控制工件轴、砂轮轴和磨架振荡电机。操作人员依据磨削加工要求设定变频速度参数，在磨削加工过程中，PLC控制变频器运行和监视变频器运行状态，当变频器发生过电流，过电压、过载、硬件异常、电源异常等情况，由PLC作出相应处理。

2.3位置控制器(PCU)

　　高端PLC配备单轴位置控制单元，与交流伺服电动机配套使用，可以完成半闭环位置控制及速度控制，配备两轴联动位置控制单元可以进行实时插补控制，实现直线和曲线等加工控制。OMRON公司的CJlMCPU自带PCU位置控制单元，支持软件CX—Position，CJ1W-NCll3PCU控制单轴，CJ1W-NC213PCU控制双轴，PCU通过以位置指令和速度指令的形式提供脉冲数目和脉冲速度进行定位控制，主要有两种定位控制方法及直接操作法和存储操作法。采用直接操作法时，位置和速度直接由cPU单元(梯形图程序)设置，并且定位根据操作命令执行，在直接操作法中不能实现线性插补；采用存储操作法时，定位序列(单独的定位操作，包含位置和速度之类的数据)提前传输到PCU内部存储器中，PCU单元通过序列号执行定位。采用高端PLC设计数控系统，需根据控制精度、运行速度和运行轨迹要求选择合适的位置控制单元(PCU)。磨削数控系统控制精度要求较高(位置精度1μm)，一般选择数字交流伺服系统。OMRON高端PLC专用指令控制脉冲输出，实现定程、点动、返回原点和原点搜索等运动控制。数控系统准确实现粗、精、光磨削加工和轴承磨床快进、快退几个阶段的速度控制和位置控制的运动轨迹。

　　2.4 交流伺服驱动器

　　MR—J3系列驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，通过偏差计数器与位控单元PCU发出的脉冲串进行比较，内部构成位置环和速度环，三菱通用交流伺服放大器MR-J3系列伺服系统，其控制模式有位置控制、速度控制和转矩控制，具有USB和RS422串型通讯功能，通过安装有伺服软件的个人计算机就能进行参数设置和试运行、状态显示监控和增益调整等操作，也可手动设置参数，具有较高水平自整定功能和振动抑制功能。与MR-J3系列配套的高性能伺服电机编码器采用了分辨率为262144脉冲／转的绝对位置编码器，具有高速／大转矩特性，驱动器功率的选择通过电机功率及机械传动负载决定。

　　2.5 交流伺服电机选择

　　电机选择要根据系统的传动比、滚珠丝杠螺距、快速行程速度、最大切削和快速行程时转换到电机轴上的扭矩和负载惯量来选择电机额定功率、电机额定输出扭矩、额定转速等。一般交流伺服电机具有较强的过载能力，它具有速度过载和转矩过载能力，其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。加减速时负载扭矩应限定在变频驱动系统最大扭矩的80％以内。工作状态载荷扭矩在正常状态下，不超过电机额定扭矩的80％。以MZ208内圆轴承磨床为例，电机选择HF—SP102型，驱动器选择MR-J3-100A型。

　　2.6 触摸屏人机界面设计

　　高端轴承磨床数控系统可选用触摸屏人机界面，采用组态工具软件和图形库(开关、灯、棒图等)以及动画功能等，按照磨削工艺流程要求进行系统操作界面设计。下面以MZ208磨削数控系统操作界面为例介绍设计过程和效果。根据磨削数控操作和显示的需要，该系统主界面下设5个子画面，分别是调整画面、报警画面、自动画面、参数设置画面和故障诊断画面。系统上电自动进入主界面，在主界面上点击操作可转移相应的子界面。调整画面用于快进、快退、慢进、慢退、返回、零位设置、磨架进出、砂轮修整等手动操作，为设备调试提供便利；报警画面利用触摸屏人机界面本身具有的报警功能设计，对x轴极限位置、驱动器工作状态、主轴变频运行状态和位控单元等实时监测和自动报警，当发生故障时触摸屏立刻弹出报警信息(故障代码及应对措施等)，自动画面显示x轴当前位置、工步状态、加工周期、加工数鼍等信息；参数设置画面可设置数控磨削相关参数；故障诊断画面町以了解I/O接口信号的通断状态，出现异常可快速排除故障。人机界面应用程序可脱机编制和调试，然后下载到触摸屏上运行，PLC一般通过RS232接口与触摸屏相连。许多触摸屏还配备并行接口，可直接与打印机连接，实时打印数据或进行屏幕拷贝。

3 软件设计

　　单轴磨床主要是通过控制砂轮磨架的前后运动与进给机构相配合，完成磨削过程的。控制的要点在于磨削进给机构的动作，也就是伺服系统的控制。欧姆龙CJlw-CPUll型PLC组成的数控系统采用CX—Programmer编程软件，在计算机上编程调试后下载到数控系统。工作程序包括手动加工程序、自动加工程序和故障诊断程序等组成，属传统的PLC梯形图程序，依据工艺流程图编写，结构明晰、调试方便，可实现电气原点的手动设置、手动调整模式与自动运行模式的切换、单次运行(半自动)与连续自动运行的自由切换、以及顺序复位。对CJ1w-MC113位置控制器的编程采用直接操作方法，位置和速度直接由CPU单(梯形图程序)设置，并且定位根据操作命令执行，从而实现进给机构的定位控制。加工过程参数由操作人员根据加工工艺通过触摸屏随机设置，程序设置的数据区域有公共参数区域、轴参数区域、操作存储器区域。公共参数区域用来设置控制轴所需的操作数据和轴参数，在使用PCU之前必须设置公共参数。在CPU单元的DM分配给特殊I／O单元的区域作为公共参数区域和轴参数Ⅸ域。区域的开始字由PCU设置的单元号决定，公共参数区域的开始字m=D20000+100x单元号，公共参数由m、m+1、m+2组成；轴参数区域接在公共参数区域后面，轴参数区域开始字m+4~m+31，轴参数功能包括脉冲输出类型、输入信号逻辑以及由PCU控制的轴操作模式等；操作存储器区域是CIo区域中分配给用来向Pcu输出命令的输出和用来监测PcU状态的输入的区域，操作存储器区域的开始字n=2000+10x单元号，包括n、n+2、n+3、n+4。在指定的数据传送区域要设置位置指针、进给速度、加速时间、减速时间等。

　　轴承磨床采用交流伺服数控化改造后，使老机床具备了数控轴承磨床的优点，达到了数控轴承磨床的精度要求，床身几何精度检验实测重复定位精度1μm，机床性能稳定可靠，机床的加工效率提高百分之五十左右，操作和维修方便，使用效果良好。