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關鍵詞：研齒機 PLC編程 CX-P編程軟件
(一) 引言
在齒輪加工行業(yè)中，研齒機的作用十分重要，它能消除齒輪在熱處理之后，所產生工件變形的影響。通過研磨，改善齒輪的接觸區(qū)，降低傳動噪聲，提高工件的光潔度。
有一臺美國進口格林森506研齒機，它是上個世紀60年代生產的機床。由于電氣控制系統(tǒng)過于陳舊，內部電器件已經(jīng)老化。該型號機床早已不再生產，所以沒有備件可以更換，造成設備癱瘓、閑置。為使老設備煥發(fā)青春，繼續(xù)發(fā)揮其應有的作用，決定對本機床進行改造。采用當今已有新技術、新自動化電子產品，替代原機床的控制系統(tǒng)，徹底改善本機床加工性能，以滿足生產需要。
(二) 機床的控制要求
506研齒機是由床身、大輪箱、主動軸（即小輪）、從動軸（即大輪）、循環(huán)控制系統(tǒng)、“E、P、G”液壓擺動機構，液壓系統(tǒng)，研磨系統(tǒng)，攪拌系統(tǒng)等組成，該機床是電氣和液壓系統(tǒng)十分復雜，自動化程度非常高的機床。為了便于機床調整，機床具備手動調整和自動循環(huán)兩種工作方式。
機床的自動研磨過程：按下啟動按鈕，循環(huán)開始，大、小輪均在各軸上夾緊，大輪箱前進，向小輪方向靠近，使大輪、小輪相嚙合。若嚙合不上，大輪箱自動后退，小輪作少量轉動，大輪箱再次前進，使大、小輪完成嚙合。
大、小輪嚙合完成后，則研磨液桿擺入，研磨罩關閉，研齒開始，大、小輪轉動，并由液壓馬達產生制動力矩，左噴嘴首先噴射研磨液。同時由三軸電機驅動一個凸輪，推動滑板和調整油缸產生E、P、G三個方向的擺動，對齒輪的第一齒面進行研磨。第一面研磨完畢，研齒循環(huán)轉至第二齒面研磨，主電機反向旋轉，研磨液左噴嘴關閉，由右噴嘴噴射，開始對第二齒面研磨。
兩面齒都研磨完畢，研磨液泵關閉，大輪箱后退至終點位置。大、小輪高速轉動甩去研磨液，甩液完畢，大、小輪停止轉動。零速開關接通，研磨罩打開，研磨液桿向下擺至原位，大、小輪均松開。這時可以取下工件，一個循環(huán)完成。
(三) 機床的設計方案
根據(jù)研齒機的加工工藝要求，分析該機床的工件研磨過程時對電氣控制系統(tǒng)的要求，歸納出本機床所需控制的開關量包括，輸入信號有按鈕、行程開關、溫控開關等；輸出信號主要有電機、電磁閥、電加熱器等。其間邏輯關系比較復雜，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，代替原來的“繼電器—接觸器”控制系統(tǒng)，PLC是集自動控制、計算機技術、通信技術為一體的產物，具有編程方便，可以現(xiàn)場修改程序，維修方便，抗干擾能力強，適用于工業(yè)環(huán)境及過程控制的自動化裝置。這樣使得機床可靠性大大提高，線路也可以得到簡化，縮短改造周期，同時便于以后維修。
(四) 可編程序控制器和其他關鍵器件的選擇
1．可編程序控制器PLC的選擇
為了滿足研齒控制功能,機床需要PLC有輸入點數(shù)為62個，輸出點數(shù)為64個。如果選擇一體式超小機型，如CMP1A、CMP2A機型，不能滿足本機床的要求。而應采用功能更強的機型，其結構選用模塊式。根據(jù)本機床的要求，查看歐姆龍PLC系列產品之后，決定選用CQM1H小型可編程序控制器。該機型為模塊式結構，可選用一個電源模塊CQM1-PA206，一臺主機CQM1H-CPU-21-E，三個16點的輸入模塊CQM1-1 D212，四個16點輸出模塊CQM1-0 C222，因為主機自身帶有一個16點的輸入接口，即組成了一個完整的64輸入點、64輸出點的PLC系統(tǒng)。
原機床采用傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)，由輸入設備、繼電器控制線路和輸出設備三大部分組成。輸入設備通常由各種開關、按鈕等構成，繼電器控制線路通常由中間繼電器、時間繼電器和連接導線組成。本機床繼電器控制系統(tǒng)較復雜，電器柜內的電磁開關將近一百只，輸出設備由執(zhí)行元件組成，如電磁閥、接觸器。由于本機床加工工藝過程的復雜性，輸入、輸出的開關量較多，研磨的次數(shù)和研磨速度經(jīng)常調整變化，而繼電器控制都是有觸點的，開關動作頻繁、產生火花，使開關觸點電蝕、氧化、積碳，造成接觸不良。如果有一個繼電器出現(xiàn)故障，就會影響機床的正常運轉，大大降低了機床的可靠性。
PLC控制系統(tǒng)是從繼電接觸控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，這兩種控制系統(tǒng)有很多相同之處。其中輸入設備和輸出設備基本相同，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，是通過許多導線與繼電器硬連接實現(xiàn)的。而PLC控制系統(tǒng)的控制是通過軟件編程實現(xiàn)的。
PLC內部的繼電器并不是實際的硬繼電器，每個內部繼電器都是PLC內部存儲單元。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，而是邏輯關系的連接，稱為“軟連接”。當存儲單元某位狀態(tài)為1時，相當于某個繼電器線圈得電；當該位狀態(tài)為0時，相當于該繼電器線圈斷電。軟繼電器常開觸點、常閉觸點可以在程序中使用無數(shù)多次。
改造后采用的可編程序控制（PLC），內部是無觸點控制，不存在接觸不良的問題，可靠性大大提高。
2．三軸電機控制系統(tǒng)設計
研齒機在研磨時，要求大輪和小輪之間三個方向的相對運動，來達到研磨的目的，即E、P、G運動。在實際工作時，E、P、G三個方向的移動量，是由機械部分事先調好的。而這三個方向的移動，是由電氣系統(tǒng)控制的三軸電機帶動的凸輪來實現(xiàn)的。電機的轉速大小，決定了凸輪轉動的快慢（即決定研磨量）。
三軸電機控制系統(tǒng)是本機床關鍵部件，原機床采用傳統(tǒng)的直流速度系統(tǒng)。這種控制方式的缺點是直流電機的換向火花問題。直流電機的換向器、電刷、滑動接觸工作。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，改造后采用變頻器調速系統(tǒng)，控制變頻電動機進行無級調速。變頻器是集微電子技術，電力電子技術和現(xiàn)代調速控制理論為一體，是一種“智能”調速元件。使用變頻器，可以提高機床的可靠性。故采用日本的富士變頻器FRN1.5G11S-4CX和國產富田變頻電機VFG90L-25作為三軸電機。
3．計數(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)，本機床配置了四個計數(shù)器，它們都是電磁式計數(shù)器，它的內部由一個小型同步電動機，一些傳動齒輪，兩個電磁線圈及輸出觸點組成。工作不穩(wěn)定，可靠性很差。所以選擇了DHC8J電子數(shù)字計數(shù)器，代替原裝繼電器，解決了上述問題。
(五) PLC編程
本機床的PLC程序的設計，可應用歐姆龍CX-P編程軟件。
1. 首先啟動CX-P編程軟件,進入編程畫面。
2. 單擊“文件”菜單中的“新建”或快捷鍵按鈕，出現(xiàn)一個對話框。
① 在“設備名稱”欄中輸入用戶為PLC定義的名稱，本機床輸入“G506”。
② 在“設備型號”欄中選擇PLC的系列，本機選擇“CQM1H”。單擊設置按鈕，可進一步配置CPU型號，本機床選擇“CPU21”。
③ 在“網(wǎng)絡類型”欄中選擇PLC網(wǎng)絡類型，本機床選擇“SYSMAC WAY”。單擊“設置”按鈕，出現(xiàn)“網(wǎng)絡設定”對話框，它有三個選項卡。單擊“驅動器”選項卡，打開通信對話框，在對話框中可以選擇計算機通信端口，設定通信參數(shù)等，連接端口名稱選COM2。
3. 編制機床PLC應用程序
在新建的“G506”項目下，利用CX-P編制機床PLC應用程序。因為是對本機床進行PLC改造，保留原機床的電氣控制邏輯關系。所以，按照PLC的編程規(guī)則，在原機床電路圖的邏輯關系基礎上，編制本機床的PLC程序，對一些特殊地方，稍作修改。CX-P是一個界面非常友好的編程軟件，編程簡單，操作容易。在此簡要介紹一下梯形圖編程有關內容。
在工程工作區(qū)中，雙擊“段1”，顯示出一個空的梯形圖。
1) 編輯接觸點
編輯接觸點的步驟如下：
① 點擊梯形圖工具欄中的“新建常開接點”按鈕，將其放在0號梯級開始位置，將出現(xiàn)“新的常開接點”對話框。
② 在“地址和名稱”欄，輸入接觸點的地址或名稱?？梢灾苯虞斎?，或在其下拉列表（表中為全局符號表示和本地符號表中已有的符號）中選擇符號。也可以直接輸入地址。
③ 單擊對話框中的“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，并單擊接觸點的右側
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、地址和數(shù)值。
③ 單擊指令對話框中的“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行選擇。
③ 單擊對話框中的“確定”按鈕，完成編輯線圈的操作。
④ 以下梯級可以作類似的編輯，在最后一個梯級里，添加指令“END”。
（六）將應用程序下載到PLC
首先將已編的機床PLC應用程序保存在PC機內。
1. 可編程序控制器的DIP開關的設定如下圖：
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機啟動CX-P軟件，設置PLC型號及CPU型號和網(wǎng)絡類型，設連接端口為COM2。
5. 選中工程工作區(qū)的“PLC”， 打開預先設計好的梯形圖。
6. 單擊PLC工具欄中的“在線工作”按鈕，與PLC進行連接。將出現(xiàn)一個確認對話框，選擇“是”按鈕，由于在線時一般不允許編輯，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的操作模式設為編程。如果未作這一步，那么CX-P將自動把PLC設置成此模式
8. 單擊PLC工具欄上的“傳送到PLC”按鈕，將顯示“下載選項”對話框，可以選擇的項目有：程序、內存分配、設置、符號。
9. 按照需要選擇后，單擊“確定”按鈕。出現(xiàn)“下載”窗口。
10. 當下載成功后，單擊“確定”按鈕，結束下載。PC機梯形圖傳到PLC（CQM1H）。
11. 下載完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況，通過調試，機床即可正常工作。
結束語：通過本機床的PLC改造，使已經(jīng)癱瘓、閑置的機床煥發(fā)了青春，為企業(yè)節(jié)省大量資金。通過引進新技術，提高了機床的加工性能，生產效率和可靠性。降低了故障率，緩解了企業(yè)的生產壓力，使企業(yè)獲得了較高的經(jīng)濟效益。
