.引言:
    随着我国机械装备、汽车工业等行业的快速发展，我们对轴承加工设备，尤其是高精度、高效率、高可靠性的轴承磨床需求量十分庞大。轴承，作为机械工业的基础件，其加工设备的重要性非常突出。目前，我们国家的轴承加工设备相对存在加工精度差，重复精度不高、生产效率低的问题，生产的轴承和国外品牌有相当大的差距。以小型球轴承加工设备为例，有许多个体企业还在使用手工作业生产，这从侧面说明了我们在设备的自动化控制方面还有许多工作要做。当然，轴承设备的机械加工精度要求很高，在此基础上，设计一套的自动控制系统及其控制软件非常重要。笔者在参与某集团公司的新型轴承自动化生产线的研制过程中，引进光洋电子的伺服控制模块，成功设计出了一套新的轴承磨床控制系统并完成系统软件的设计。值的一提的是，光洋（KOYO）精工是日本的轴承生产企业之一，其轴承磨削的自动化控制确有其独到之处。
2.工作原理及控制要求:
    以RF-3MZ203小型轴承内圆磨为例，其机械结构的关键在于磨削进给机构，一般采用直线导轨和滚珠丝杠总成。加工时，工件（轴承套圈）高速旋转，磨削进给机构控制砂轮jingque运动，进行磨削加工。所以，磨削进给的控制精度十分重要，这里采用安川的全数字化交流伺服系统控制。
磨削进给机构示意图如下

该磨床自动化控制的总体要求是
（1） 开关量输入64点，开关量输出24点。
（2） 采用伺服定位模块控制安川的交流伺服系统。由于内圆磨床磨削加工时有测抓在线测量，所以需要构成全闭环伺服控制。加工效率高，要求伺服系统有良好的高速响应能力；加工精度高，要求伺服系统有良好的刚性，以及的低速性能。总体上要求伺服系统在高、低极限都能达到良好的性能。加工精度达到1μm
（3） PLC控制多台变频器。
（4） 采用触摸式人机界面，操作直观方便，界面友好。
（5） 具备PLC总线连接能力，可以进行整条生产线的联网控制。
3.控制系统硬件设计:
    根据上述控制要求，PLC选择光洋电子的SU系列，变频器和交流伺服选择安川的产品，触摸屏选用光洋电子的GC-55EM2，共同组成磨削自动控制系统。选择光洋PLC主要是因为其中的U-01SP单轴伺服控制模块可以与交流伺服驱动系统良好的配合，达到优良的高、低速性能，而且伺服电机的编码器信号直接反馈到该模块，测抓反馈的中断控制信号也直接反馈到该模块，从而构成真正意义上的闭环控制。该模块在光洋精工已经得到长期应用。安川的交流伺服刚性好，技术先进、质量稳定，用于轴承加工设备非常合适；其变频器具备MODBUS总线，由于光洋电子的SU系列CPU模块的通讯口已经内置MODBUS协议，所以可以采用通讯方式控制多台变频，相比原先类似系统采用的模拟量输出控制简化了PLC硬件配置从而大幅节约了成本。值得一提的是SU-5M通讯功能强大，CPU自身具备3个通讯口，分别用于触摸屏通讯、变频器通讯、总线控制，而不需要单独的通讯模块，对提高配置的性价比起到了十分关键的作用。
系统示意图如下：

U-01SP与交流伺服配线图如下：

4.控制软件设计:
    轴承磨削的工艺十分复杂，磨削的方式有多种。本磨床主要是通过控制磨架的前后运动与砂轮进给机构相配合，完成磨削过程。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。本系统中的U-01SP可以用类似CNC的G代码控制，从而实现复杂的程序结构。利用这套系统，我们实现了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、砂轮的各种修正模式、以及顺序复位（按机床动作流程，到需要返回时按原先已经动作的顺序反方向倒退回初始状态。因为机床的各部件动作需要错开，同时复位会造成碰撞）。U-01SP与PLC的信息交换通过该模块占用的输入输出点进行。其对应关系见下表

    程序控制分为两部分，CPU内的主程序为传统的PLC梯形图程序，该程序采用光洋的级式语言编程，依据工艺流程图编写，结构明晰、调试方便；U-01SP内下载伺服控制程序，整个磨削过程及砂轮修正程序均包含在G代码伺服程序内。当PLC主程序需要调用伺服程序时，只需要控制U-01SP的对应输出继电器即可。如启动自动运行，只需将Qn＋02输出为ON；如启动手动反转，将Qn＋03置为ON即可，伺服运行时In＋02为ON显示伺服系统运行中（BUSY）。限于篇幅，详细的工艺流程图在此无法展开，这里给出砂轮修正部分的PLC程序示例：

G代码编程介绍:
    由于U-01SP伺服定位模块的类CNC的G代码具有编程方便、功能强大、调试直观、易于学习等许多优点，在此作简单说明。
（1）定位控制命令的基本格式：
N100 G00 X500 F3000
其中N100为程序标号，G00为命令码，X500代表定位位置，F3000表示定位速度。
（2）常用G代码命令

    在实际使用中，带中断的定位非常有用。例如在测抓工作时，如果测抓检测到磨削尺寸已经到达设定值，立刻发出中断信号，U-01SP接收到该信号立即发出停止指令给伺服系统。
编程举例如下：
G05为连续定位，按设定的位置、速度进行连续定位
N10　G0 5　X500　　F500
N11　G0 5　X1000　F300
N12　G0 0　X1500　F200
G25为带中断的连续定位，在到达目标值前有中断信号则立即进行下面的定位
N10　G25　X500　　F500
N11　G25　X1000　F300
N12　G26　X1500　F200
下面的2个示意图显示了两者的差别。
当然，常用的G代码命令还有很多，限于篇幅就不一一例举了。
    实际运行的伺服程序采用可设定的寄存器，还要进行PLC、触摸屏、伺服模块间的数据传送；同时，要根据不同的工艺要求进行程序跳转；甚至可以在同一个程序内进行坐标系的切换（/相对坐标系）。一般来说，采用U-01SP的G代码编程，可以节省数K空间的PLC程序，对于编程、调试、维护带来的便利性不言而喻。
轴承磨削的伺服进给过程主要是：
快进 黑皮 粗磨 精磨 光磨 尺寸到（测抓中断）
这里给出一个相应的G代码程序做参考
G60 #M102=K1 N150
N10 G00 X(D0) F9800
N20 G91
N30 G05 X(D1) F9800
N40 G25 X(D2) F(D3)
N50 G25 X(D4) F(D5)
N60 G26 X(D6) F(D7)
D24=D9
D20=K0-D8
N70 G00 X(D20) F(D24)
M10
G61 Q13=K1
N80 G26 X(D10) F(D11)
D22=K0-D12
N90 G00 X(D22) F(D24)
G60 #M101=K0 N110
N100 G26 X(D14) F(D15)
G75 N120
N110 G04 K(D13)
N120 G90
N150 G00 X(D0) F9800
#M102=K0
N200 END
结束语:
    说到CNC数控系统，相信许多人对G代码编程是非常熟悉的，但是在PLC系统中融合G代码编程的产品目前在国内并不普及。我们的这套系统自2000年在国内投产距今已接近5年时间，用户反映质量稳定，使用便利。值得一提的是我们的这套系统走出了伺服电机低转速每分钟0.1转以下的极限！如此低的速度在光磨时有着重要的意义，因为光磨时需要的就是非常低的磨削速度，以逼近无进给磨削状态，可以达到极高的磨削精度。事实上，用户利用我们的PLC系统和三菱的专用CNC系统做了比较，磨削后工件的测量结果表明，采用PLC系统的磨削精度、加工的重复精度完全达到专用CNC系统的水准。从这一点来说，这套PLC系统有着良好的性能和特点：它将PLC的控制和高性能的伺服定位控制结合在一起，提供了PLC的易用性和CNC的高性能，具有很好的推广价值和应用前景

六面顶压机的对控制装置的要求:

六面顶压机为人造金刚石合成的关键性设备，它具有多规范、自动化程度较高的特点，过去采用继电器-接触器方式进行控制，其逻辑关系繁琐，所用继电器数量较多（四十多个），因而鼓胀率较高，常由于继电器动作失灵导致压块撞碎，甚至损坏顶锤，增加了原辅材料消耗，影响到设备正常运行。另外，六面顶压机对六只压缸的定位精度及同步性能也有一定的要求，过去的继电器-接触器控制方式存在着响应速度慢、动作迟缓、衔铁粘滞、接触不良等现象、使得六缸定位及同步性能变差，增加了硬质和金顶锤损坏的机会。所以，六面顶压机对控制装置提出了这样的要求： 1、可靠性要高 2、六缸定位及同步控制性要好     针对以上二个基本要求，结合六面顶压机的工艺特点，我们利用PLC控制压机使之按以下的程序工作（如右图所示）：

 PLC机型选择:

 控制装置的配置:

 电路设计:

 软件设计及数据处理功能的应用:

1、 软件设计：   分段工作程序与自动工作程序基本相同，只是在保压结束后不会立即自动卸压，需操作者掀压增压器卸压（即分段卸压）按钮后才卸压，然后直至程序结束。调整程序主要用于手动调整六缸活塞的位置。 2、 数据处理功能的应用   由于篇幅，我们这里仅举例说明SR-21数据处理指令在六缸同步监测及调整时防止多个按钮同时操作的用法，下面逐一说明。 （1） 同步监测程序模块      上图为同步监测程序模块的框图，框图中的延时是根据具体设备中六缸活塞运动响应快慢来设定的，时间短要求六缸活塞在充液时基本上要求同时开始运动，时间长则允许六缸活塞在充液瞬间是不会同时开始运动的，由于液压系统的调整、高压油路的长短，活塞的摩擦阻力，流量的大小等因素均可能影响到每只缸活塞响应速度的快慢，总会有少数缸的活塞运动出现滞缓运动的现象，当这种现象比较严重时，就可能会产生六缸超压时六只顶锤不在中心线上的现象，从而导致故障发生。同步监测的目的就在于：当滞缓现象较严重时，能发出不同步报警信号，同时停止六缸活塞运动，让操作者及时做出相应的处理。 （2） 同步监测梯形图 梯形图如图所示，它是上面程序框图的具体应用。值得提出的事，梯形图中用772、773、774标志继电器作为compare（比较）的结果，当六缸活塞同步时，与常数63（BCD数）比较结果相等，标志继电器773建立，否则772获774间里，不同步报警。 （3） 调整防误操程序框图 这部分框图见下图。 需要说明的事，这仅为上、前、右、下四缸活塞手动调整时的程序，其它一些调整动作属不同组，原理相似。这种防误操程序能有效的防止操作者在按某个按钮，也有防止其它组的按钮误按而造成设备故障。 （4）防误操作梯形图

 结束语: