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摘要：文章簡(jiǎn)要介紹了采用可編程序控制器（即PLC）對(duì)進(jìn)口研齒機(jī)進(jìn)行改造的成功范例。重點(diǎn)敘述了在機(jī)床PLC改造中涉及到的PLC設(shè)計(jì)方法、PLC選型、CX-P編程軟件的操作使用等內(nèi)容，具有很高的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：研齒機(jī) PLC編程 CX-P編程軟件
(一) 引言
在齒輪加工行業(yè)中，研齒機(jī)的作用十分重要，它能消除齒輪在熱處理之后，所產(chǎn)生工件變形的影響。通過(guò)研磨，改善齒輪的接觸區(qū)，降低傳動(dòng)噪聲，提高工件的光潔度。
有一臺(tái)美國(guó)進(jìn)口格林森506研齒機(jī)，它是上個(gè)世紀(jì)60年代生產(chǎn)的機(jī)床。由于電氣控制系統(tǒng)過(guò)于陳舊，內(nèi)部電器件已經(jīng)老化。該型號(hào)機(jī)床早已不再生產(chǎn)，所以沒(méi)有備件可以更換，造成設(shè)備癱瘓、閑置。為使老設(shè)備煥發(fā)青春，繼續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，決定對(duì)本機(jī)床進(jìn)行改造。采用當(dāng)今已有新技術(shù)、新自動(dòng)化電子產(chǎn)品，替代原機(jī)床的控制系統(tǒng)，徹底改善本機(jī)床加工性能，以滿足生產(chǎn)需要。
(二) 機(jī)床的控制要求
506研齒機(jī)是由床身、大輪箱、主動(dòng)軸（即小輪）、從動(dòng)軸（即大輪）、循環(huán)控制系統(tǒng)、“E、P、G”液壓擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，液壓系統(tǒng)，研磨系統(tǒng)，攪拌系統(tǒng)等組成，該機(jī)床是電氣和液壓系統(tǒng)十分復(fù)雜、自動(dòng)化程度非常高的機(jī)床。為了便于機(jī)床調(diào)整，機(jī)床具備手動(dòng)調(diào)整和自動(dòng)循環(huán)兩種工作方式。
機(jī)床的自動(dòng)研磨過(guò)程：按下啟動(dòng)按鈕，循環(huán)開始，大、小輪均在各軸上夾緊，大輪箱前進(jìn)，向小輪方向靠近，使大輪、小輪相嚙合。若嚙合不上，大輪箱自動(dòng)后退，小輪作少量轉(zhuǎn)動(dòng)，大輪箱再次前進(jìn)，使大、小輪完成嚙合。
大、小輪嚙合完成后，則研磨液桿擺入，研磨罩關(guān)閉，研齒開始，大、小輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并由液壓馬達(dá)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，左噴嘴首先噴射研磨液。同時(shí)由三軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)凸輪，推動(dòng)滑板和調(diào)整油缸產(chǎn)生E、P、G三個(gè)方向的擺動(dòng)，對(duì)齒輪的第一齒面進(jìn)行研磨。第一面研磨完畢，研齒循環(huán)轉(zhuǎn)至第二齒面研磨，主電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，研磨液左噴嘴關(guān)閉，由右噴嘴噴射，開始對(duì)第二齒面研磨。
兩面齒都研磨完畢，研磨液泵關(guān)閉，大輪箱后退至終點(diǎn)位置。大、小輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)甩去研磨液，甩液完畢，大、小輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)。零速開關(guān)接通，研磨罩打開，研磨液桿向下擺至原位，大、小輪均松開。這時(shí)可以取下工件，一個(gè)循環(huán)完成。
(三) 機(jī)床的設(shè)計(jì)方案
根據(jù)研齒機(jī)的加工工藝要求，分析該機(jī)床的工件研磨過(guò)程時(shí)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求，歸納出本機(jī)床所需控制的開關(guān)量包括：輸入信號(hào)有按鈕、行程開關(guān)、溫控開關(guān)等；輸出信號(hào)主要有電機(jī)、電磁閥、電加熱器等。其間邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，所以決定選擇可編程序控制器（PLC），作為電氣控制系統(tǒng)的核心，代替原來(lái)的“繼電器—接觸器”控制系統(tǒng)，PLC是集自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)為一體的產(chǎn)物，具有編程方便，可以現(xiàn)場(chǎng)修改程序，維修方便，抗干擾能力強(qiáng)，適用于工業(yè)環(huán)境及過(guò)程控制的自動(dòng)化裝置。這樣使得機(jī)床可靠性大大提高，線路也可以得到簡(jiǎn)化，縮短改造周期，同時(shí)便于以后維修。
(四) 可編程序控制器和其他關(guān)鍵器件的選擇
1．可編程序控制器PLC的選擇
為了滿足研齒控制功能,機(jī)床需要PLC有輸入點(diǎn)數(shù)為62個(gè)，輸出點(diǎn)數(shù)為64個(gè)。如果選擇一體式超小機(jī)型，如CMP1A、CMP2A機(jī)型，不能滿足本機(jī)床的要求。而應(yīng)采用功能更強(qiáng)的機(jī)型，其結(jié)構(gòu)選用模塊式。根據(jù)本機(jī)床的要求，查看歐姆龍PLC系列產(chǎn)品之后，決定選用CQM1H小型可編程序控制器。該機(jī)型為模塊式結(jié)構(gòu)，可選用一個(gè)電源模塊CQM1-PA206，一臺(tái)主機(jī)CQM1H-CPU-21-E，三個(gè)16點(diǎn)的輸入模塊CQM1-1 D212，四個(gè)16點(diǎn)輸出模塊CQM1-0 C222，因?yàn)橹鳈C(jī)自身帶有一個(gè)16點(diǎn)的輸入接口，即組成了一個(gè)完整的64輸入點(diǎn)、64輸出點(diǎn)的PLC系統(tǒng)。
原機(jī)床采用傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)，由輸入設(shè)備、繼電器控制線路和輸出設(shè)備三大部分組成。輸入設(shè)備通常由各種開關(guān)、按鈕等構(gòu)成，繼電器控制線路通常由中間繼電器、時(shí)間繼電器和連接導(dǎo)線組成。本機(jī)床繼電器控制系統(tǒng)較復(fù)雜，電器柜內(nèi)的電磁開關(guān)將近一百只，輸出設(shè)備由執(zhí)行元件組成，如電磁閥、接觸器。由于本機(jī)床加工工藝過(guò)程的復(fù)雜性，輸入、輸出的開關(guān)量較多，研磨的次數(shù)和研磨速度經(jīng)常調(diào)整變化，而繼電器控制都是有觸點(diǎn)的，開關(guān)動(dòng)作頻繁、產(chǎn)生火花，使開關(guān)觸點(diǎn)電蝕、氧化、積碳，造成接觸不良。如果有一個(gè)繼電器出現(xiàn)故障，就會(huì)影響機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，大大降低了機(jī)床的可靠性。
PLC控制系統(tǒng)是從繼電接觸控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，這兩種控制系統(tǒng)有很多相同之處。其中輸入設(shè)備和輸出設(shè)備基本相同，用PLC的控制部分取代了繼電控制線路。傳統(tǒng)的繼電器控制線路的控制作用，是通過(guò)許多導(dǎo)線與繼電器硬連接實(shí)現(xiàn)的。而PLC控制系統(tǒng)的控制是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)的。
PLC內(nèi)部的繼電器并不是實(shí)際的硬繼電器，每個(gè)內(nèi)部繼電器都是PLC內(nèi)部存儲(chǔ)單元。稱為“軟繼電器”。梯形圖是由這些“軟繼電器”組成的控制線路，他們不是真正的物理連接，而是邏輯關(guān)系的連接，稱為“軟連接”。當(dāng)存儲(chǔ)單元某位狀態(tài)為1時(shí)，相當(dāng)于某個(gè)繼電器線圈得電；當(dāng)該位狀態(tài)為0時(shí)，相當(dāng)于該繼電器線圈斷電。軟繼電器常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)可以在程序中使用無(wú)數(shù)多次。
改造后采用的可編程序控制（PLC），內(nèi)部是無(wú)觸點(diǎn)控制，不存在接觸不良的問(wèn)題，可靠性大大提高。
2．三軸電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
研齒機(jī)在研磨時(shí)，要求大輪和小輪之間三個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，來(lái)達(dá)到研磨的目的，即E、P、G運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際工作時(shí)，E、P、G三個(gè)方向的移動(dòng)量，是由機(jī)械部分事先調(diào)好的。而這三個(gè)方向的移動(dòng)，是由電氣系統(tǒng)控制的三軸電機(jī)帶動(dòng)的凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，決定了凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢（即決定研磨量）。
三軸電機(jī)控制系統(tǒng)是本機(jī)床關(guān)鍵部件，原機(jī)床采用傳統(tǒng)的直流速度系統(tǒng)。這種控制方式的缺點(diǎn)是直流電機(jī)的換向火花問(wèn)題。直流電機(jī)的換向器、電刷、滑動(dòng)接觸工作。這些都是故障多發(fā)部位，元件易損壞，維修量很大。影響正常生產(chǎn)，改造后采用變頻器調(diào)速系統(tǒng)，控制變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速。變頻器是集微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)和現(xiàn)代調(diào)速控制理論為一體，是一種“智能”調(diào)速元件。使用變頻器，可以提高機(jī)床的可靠性。故采用日本的富士變頻器FRN1.5G11S-4CX和國(guó)產(chǎn)富田變頻電機(jī)VFG90L-25作為三軸電機(jī)。
3．計(jì)數(shù)器的替代。
在不同工件的研磨中，需要經(jīng)常改變研磨循環(huán)的次數(shù)，本機(jī)床配置了四個(gè)計(jì)數(shù)器，它們都是電磁式計(jì)數(shù)器，它的內(nèi)部由一個(gè)小型同步電動(dòng)機(jī)，一些傳動(dòng)齒輪，兩個(gè)電磁線圈及輸出觸點(diǎn)組成。工作不穩(wěn)定，可靠性很差。所以選擇了DHC8J電子數(shù)字計(jì)數(shù)器，代替原裝繼電器，解決了上述問(wèn)題。
(五) PLC編程
本機(jī)床的PLC程序的設(shè)計(jì)，可應(yīng)用歐姆龍CX-P編程軟件。
1. 首先啟動(dòng)CX-P編程軟件,進(jìn)入編程畫面。
2. 單擊“文件”菜單中的“新建”或快捷鍵按鈕，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框。
① 在“設(shè)備名稱”欄中輸入用戶為PLC定義的名稱，本機(jī)床輸入“G506”。
② 在“設(shè)備型號(hào)”欄中選擇PLC的系列，本機(jī)選擇“CQM1H”。單擊設(shè)置按鈕，可進(jìn)一步配置CPU型號(hào)，本機(jī)床選擇“CPU21”。
③ 在“網(wǎng)絡(luò)類型”欄中選擇PLC網(wǎng)絡(luò)類型，本機(jī)床選擇“SYSMAC WAY”。單擊“設(shè)置”按鈕，出現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)設(shè)定”對(duì)話框，它有三個(gè)選項(xiàng)卡。單擊“驅(qū)動(dòng)器”選項(xiàng)卡，打開通信對(duì)話框，在對(duì)話框中可以選擇計(jì)算機(jī)通信端口，設(shè)定通信參數(shù)等，連接端口名稱選COM2。
3. 編制機(jī)床PLC應(yīng)用程序
在新建的“G506”項(xiàng)目下，利用CX-P編制機(jī)床PLC應(yīng)用程序。因?yàn)槭菍?duì)本機(jī)床進(jìn)行PLC改造，保留原機(jī)床的電氣控制邏輯關(guān)系。所以，按照PLC的編程規(guī)則，在原機(jī)床電路圖的邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上，編制本機(jī)床的PLC程序，對(duì)一些特殊地方，稍作修改。CX-P是一個(gè)界面非常友好的編程軟件，編程簡(jiǎn)單，操作容易。在此簡(jiǎn)要介紹一下梯形圖編程有關(guān)內(nèi)容。
在工程工作區(qū)中，雙擊“段1”，顯示出一個(gè)空的梯形圖。
1) 編輯接觸點(diǎn)
編輯接觸點(diǎn)的步驟如下：
① 點(diǎn)擊梯形圖工具欄中的“新建常開接點(diǎn)”按鈕，將其放在0號(hào)梯級(jí)開始位置，將出現(xiàn)“新的常開接點(diǎn)”對(duì)話框。
② 在“地址和名稱”欄，輸入接觸點(diǎn)的地址或名稱。可以直接輸入，或在其下拉列表（表中為全局符號(hào)表示和本地符號(hào)表中已有的符號(hào)）中選擇符號(hào)。也可以直接輸入地址。
③ 單擊對(duì)話框中的“確定”按鈕保存操作。
2) 編輯指令
在梯形圖工具欄中，選擇“新建PLC指令”按鈕，并單擊接觸點(diǎn)的右側(cè)
① 在“指令”欄中，輸入指令名稱或者指令代碼。
② “操作數(shù)”欄，輸入指令操作數(shù)，操作數(shù)可以是符號(hào)、地址和數(shù)值。
③ 單擊指令對(duì)話框中的“確定”按鈕，完成操作，一條指令被添加。
3) 編輯線圈
① 在梯形圖工具欄中，選擇“新建線圈”按鈕，出現(xiàn)“新線圈”對(duì)話框。
② 在“地址和名稱”欄，輸入線圈的地址和名稱?？梢灾苯虞斎?，或者在其下拉列表中進(jìn)行選擇。
③ 單擊對(duì)話框中的“確定”按鈕，完成編輯線圈的操作。
④ 以下梯級(jí)可以作類似的編輯，在最后一個(gè)梯級(jí)里，添加指令“END”。
（六）將應(yīng)用程序下載到PLC
首先將已編的機(jī)床PLC應(yīng)用程序保存在PC機(jī)內(nèi)。
1. 可編程序控制器的DIP開關(guān)的設(shè)定如下圖：
1 | 0 |
2 | 0 |
3 | 0 |
4 | 1 |
5 | 0 |
6 | 0 |
7 | 1 |
8 | 0 |
2. 連接RS-232接口電纜。
3. 接通PLC和PC的電源。
4. 從PC機(jī)啟動(dòng)CX-P軟件，設(shè)置PLC型號(hào)及CPU型號(hào)和網(wǎng)絡(luò)類型，設(shè)連接端口為COM2。
5. 選中工程工作區(qū)的“PLC”， 打開預(yù)先設(shè)計(jì)好的梯形圖。
6. 單擊PLC工具欄中的“在線工作”按鈕，與PLC進(jìn)行連接。將出現(xiàn)一個(gè)確認(rèn)對(duì)話框，選擇“是”按鈕，由于在線時(shí)一般不允許編輯，所以程序變成灰色。
7. 單擊PLC工具欄上的“編輯模式”按鈕，把PLC的操作模式設(shè)為編程。如果未作這一步，那么CX-P將自動(dòng)把PLC設(shè)置成此模式
8. 單擊PLC工具欄上的“傳送到PLC”按鈕，將顯示“下載選項(xiàng)”對(duì)話框，可以選擇的項(xiàng)目有：程序、內(nèi)存分配、設(shè)置、符號(hào)。
9. 按照需要選擇后，單擊“確定”按鈕。出現(xiàn)“下載”窗口。
10. 當(dāng)下載成功后，單擊“確定”按鈕，結(jié)束下載。PC機(jī)梯形圖傳到PLC（CQM1H）。
11. 下載完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)調(diào)試，機(jī)床即可正常工作。
結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)本機(jī)床的PLC改造，使已經(jīng)癱瘓、閑置的機(jī)床煥發(fā)了青春，為企業(yè)節(jié)省大量資金。通過(guò)引進(jìn)應(yīng)用新技術(shù)，提高了機(jī)床的加工性能，生產(chǎn)效率和可靠性。降低了故障率，緩解了企業(yè)的生產(chǎn)壓力，使企業(yè)獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。
