1 改造方案

　　交流伺服數控技術應用于軸承磨床，將快跳油缸和諧波減速器去掉，采用滾珠絲杠和伺服電機直聯結構，使得機械系統誤差最小，交流伺服數控技術在軸承磨床改造中正在得到廣泛應用。以MZ208內圓軸承磨床數控化改造為例，介紹交流伺服數控技術在軸承磨床改造中的應用，采用單軸半閉環伺服數控系統可滿足內圓軸承磨床改造的要求，半閉環數控系統具有較高的穩定性，是目前數控機床普遍采用的一種系統，其特點是在伺服電機上加裝編碼器，通過檢測伺服電機的轉角，間接檢測移動部件的位移量，然后反饋到數控裝置中，半閉環伺服系統是外環為位置環、內環為速度環的控制系統。速度環是控制電動機轉速的電路，由速度調節器、電流調節器及功率驅動放大器組成。位置環是控制坐標軸按指令位置精確定位的控制環節。

2 電氣控制系統設計

　　2.1電氣控制系統組成

　　選用歐姆龍CJIM—CPU11型PLC、位置控制單元CJ1W-NC113，9寸觸摸屏GP477R-EG41、三菱伺服驅動源MR-J3-100A型、三菱伺服電機HF—SP102／1kW組成交流伺服進給數控系統，替代原機床控制電路，改造后的電氣控制系統組成框。

　　2.2 變頻驅動裝置

　　為此系統配備變頻器，分別驅動控制工件軸、砂輪軸和磨架振蕩電機。操作人員依據磨削加工要求設定變頻速度參數，在磨削加工過程中，PLC控制變頻器運行和監視變頻器運行狀態，當變頻器發生過電流，過電壓、過載、硬件異常、電源異常等情況，由PLC作出相應處理。

2.3位置控制器(PCU)

　　高端PLC配備單軸位置控制單元，與交流伺服電動機配套使用，可以完成半閉環位置控制及速度控制，配備兩軸聯動位置控制單元可以進行實時插補控制，實現直線和曲線等加工控制。OMRON公司的CJlMCPU自帶PCU位置控制單元，支持軟件CX—Position，CJ1W-NCll3PCU控制單軸，CJ1W-NC213PCU控制雙軸，PCU通過以位置指令和速度指令的形式提供脈沖數目和脈沖速度進行定位控制，主要有兩種定位控制方法及直接操作法和存儲操作法。采用直接操作法時，位置和速度直接由cPU單元(梯形圖程序)設置，并且定位根據操作命令執行，在直接操作法中不能實現線性插補；采用存儲操作法時，定位序列(單獨的定位操作，包含位置和速度之類的數據)提前傳輸到PCU內部存儲器中，PCU單元通過序列號執行定位。采用高端PLC設計數控系統，需根據控制精度、運行速度和運行軌跡要求選擇合適的位置控制單元(PCU)。磨削數控系統控制精度要求較高(位置精度1μm)，一般選擇數字交流伺服系統。OMRON高端PLC專用指令控制脈沖輸出，實現定程、點動、返回原點和原點搜索等運動控制。數控系統準確實現粗、精、光磨削加工和軸承磨床快進、快退幾個階段的速度控制和位置控制的運動軌跡。

　　2.4 交流伺服驅動器

　　MR—J3系列驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，通過偏差計數器與位控單元PCU發出的脈沖串進行比較，內部構成位置環和速度環，三菱通用交流伺服放大器MR-J3系列伺服系統，其控制模式有位置控制、速度控制和轉矩控制，具有USB和RS422串型通訊功能，通過安裝有伺服軟件的個人計算機就能進行參數設置和試運行、狀態顯示監控和增益調整等操作，也可手動設置參數，具有較高水平自整定功能和振動抑制功能。與MR-J3系列配套的高性能伺服電機編碼器采用了分辨率為262144脈沖／轉的絕對位置編碼器，具有高速／大轉矩特性，驅動器功率的選擇通過電機功率及機械傳動負載決定。

　　2.5 交流伺服電機選擇

　　電機選擇要根據系統的傳動比、滾珠絲杠螺距、快速行程速度、最大切削和快速行程時轉換到電機軸上的扭矩和負載慣量來選擇電機額定功率、電機額定輸出扭矩、額定轉速等。一般交流伺服電機具有較強的過載能力，它具有速度過載和轉矩過載能力，其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。加減速時負載扭矩應限定在變頻驅動系統最大扭矩的80％以內。工作狀態載荷扭矩在正常狀態下，不超過電機額定扭矩的80％。以MZ208內圓軸承磨床為例，電機選擇HF—SP102型，驅動器選擇MR-J3-100A型。

　　2.6 觸摸屏人機界面設計

　　高端軸承磨床數控系統可選用觸摸屏人機界面，采用組態工具軟件和圖形庫(開關、燈、棒圖等)以及動畫功能等，按照磨削工藝流程要求進行系統操作界面設計。下面以MZ208磨削數控系統操作界面為例介紹設計過程和效果。根據磨削數控操作和顯示的需要，該系統主界面下設5個子畫面，分別是調整畫面、報警畫面、自動畫面、參數設置畫面和故障診斷畫面。系統上電自動進入主界面，在主界面上點擊操作可轉移相應的子界面。調整畫面用于快進、快退、慢進、慢退、返回、零位設置、磨架進出、砂輪修整等手動操作，為設備調試提供便利；報警畫面利用觸摸屏人機界面本身具有的報警功能設計，對x軸極限位置、驅動器工作狀態、主軸變頻運行狀態和位控單元等實時監測和自動報警，當發生故障時觸摸屏立刻彈出報警信息(故障代碼及應對措施等)，自動畫面顯示x軸當前位置、工步狀態、加工周期、加工數鼉等信息；參數設置畫面可設置數控磨削相關參數；故障診斷畫面町以了解I/O接口信號的通斷狀態，出現異常可快速排除故障。人機界面應用程序可脫機編制和調試，然后下載到觸摸屏上運行，PLC一般通過RS232接口與觸摸屏相連。許多觸摸屏還配備并行接口，可直接與打印機連接，實時打印數據或進行屏幕拷貝。

3 軟件設計

　　單軸磨床主要是通過控制砂輪磨架的前后運動與進給機構相配合，完成磨削過程的。控制的要點在于磨削進給機構的動作，也就是伺服系統的控制。歐姆龍CJlw-CPUll型PLC組成的數控系統采用CX—Programmer編程軟件，在計算機上編程調試后下載到數控系統。工作程序包括手動加工程序、自動加工程序和故障診斷程序等組成，屬傳統的PLC梯形圖程序，依據工藝流程圖編寫，結構明晰、調試方便，可實現電氣原點的手動設置、手動調整模式與自動運行模式的切換、單次運行(半自動)與連續自動運行的自由切換、以及順序復位。對CJ1w-MC113位置控制器的編程采用直接操作方法，位置和速度直接由CPU單(梯形圖程序)設置，并且定位根據操作命令執行，從而實現進給機構的定位控制。加工過程參數由操作人員根據加工工藝通過觸摸屏隨機設置，程序設置的數據區域有公共參數區域、軸參數區域、操作存儲器區域。公共參數區域用來設置控制軸所需的操作數據和軸參數，在使用PCU之前必須設置公共參數。在CPU單元的DM分配給特殊I／O單元的區域作為公共參數區域和軸參數Ⅸ域。區域的開始字由PCU設置的單元號決定，公共參數區域的開始字m=D20000+100x單元號，公共參數由m、m+1、m+2組成；軸參數區域接在公共參數區域后面，軸參數區域開始字m+4~m+31，軸參數功能包括脈沖輸出類型、輸入信號邏輯以及由PCU控制的軸操作模式等；操作存儲器區域是CIo區域中分配給用來向Pcu輸出命令的輸出和用來監測PcU狀態的輸入的區域，操作存儲器區域的開始字n=2000+10x單元號，包括n、n+2、n+3、n+4。在指定的數據傳送區域要設置位置指針、進給速度、加速時間、減速時間等。

　　軸承磨床采用交流伺服數控化改造后，使老機床具備了數控軸承磨床的優點，達到了數控軸承磨床的精度要求，床身幾何精度檢驗實測重復定位精度1μm，機床性能穩定可靠，機床的加工效率提高百分之五十左右，操作和維修方便，使用效果良好。