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作為柴油機(jī)重要零件之一的平衡軸，在柴油機(jī)的運(yùn)行中，起著平衡柴油機(jī)活塞一級(jí)往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力的重要作用。其技術(shù)要求很高，兩端外圓的公差僅±0.0065㎜，軸的圓柱度也只有0.008㎜，加工難度很大。而平衡軸磨床則是專門用于磨削平衡軸兩端外圓的專用磨床。本公司年產(chǎn)一百多萬臺(tái)柴油機(jī)，很大一部分平衡軸是依靠專用磨床來完成的。2008年，公司采用PLC、步進(jìn)電機(jī)和外徑測(cè)量?jī)x組成的準(zhǔn)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)磨床進(jìn)行了技術(shù)改造，并最終取得了成功。機(jī)床實(shí)現(xiàn)了工件自動(dòng)上料、自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)下料的全自動(dòng)磨削加工，并具有超差自動(dòng)停機(jī)報(bào)警功能，自動(dòng)化程度超過了一般數(shù)控磨床。
二、方案的制定
平衡軸磨床的控制對(duì)象主要是水平方向移動(dòng)的磨頭進(jìn)給控制、工件的送料控制、夾緊控制和工件的在線檢測(cè)控制。準(zhǔn)確、方便地對(duì)水平方向進(jìn)行定位控制，是提高該設(shè)備控制精度的核心問題。目前，磨床的電氣控制方法很多，既有單片機(jī)組成的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，也有全機(jī)能型高檔數(shù)控系統(tǒng)。在這些數(shù)控系統(tǒng)中，控制器在功能、性能及成本上占有相當(dāng)?shù)谋戎?，長期以來，德系、日系控制器占據(jù)了大部分的市場(chǎng)。不可否認(rèn)，這些控制器在技術(shù)上確實(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)，國產(chǎn)數(shù)控盡管取得了長足的進(jìn)步，與之相比，還有不小的差距，許多技術(shù)還受之于人。因此，發(fā)展自己的控制器無論對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)還是技術(shù)掌握來說，都是當(dāng)務(wù)之急。近年來，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，PLC功能隨之日益強(qiáng)大，基于PLC的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為可能。通常，數(shù)控機(jī)床主要功能是精確控制軸的進(jìn)給，而我公司專用磨床除了這個(gè)功能以外，還要解決砂輪自身在磨削過程中逐步磨損給系統(tǒng)帶來的精度影響。由于砂輪的磨損量是隨砂輪本身材料的不同和被加工材料的不同而變化的，是個(gè)變量。再加上加工件從送料、夾緊、加工、檢測(cè)、下料是一個(gè)全自動(dòng)過程，因此，對(duì)磨床的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。
若采用進(jìn)口系統(tǒng)，滿足上述控制要求在技術(shù)上沒有太大的困難，比較容易實(shí)現(xiàn)，像德國的軋輥磨床，配備在線直徑測(cè)量?jī)x，可以達(dá)到很高的精度，但是投入費(fèi)用很大；若采用國產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相同的功能幾乎不成問題，但是要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、大批量、流水線式加工也比較麻煩，而且穩(wěn)定性不如前者；鑒于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的考慮，我們提出了與之完全不同的設(shè)計(jì)思路，即采用以PLC為核心、步進(jìn)電機(jī)和外徑測(cè)量?jī)x配套的準(zhǔn)閉環(huán)系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)。采用這種系統(tǒng)的理由是：
（1）PLC具有脈沖發(fā)送和啟停斜率控制的強(qiáng)大功能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，能夠滿足磨床的數(shù)字控制需要。
（2）有關(guān)文獻(xiàn)資料中已經(jīng)有進(jìn)行類似軸向移動(dòng)的應(yīng)用方面的報(bào)道，使用是成功的。
（3）本機(jī)床要求實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，輸入、輸出點(diǎn)數(shù)較多，而PLC可以根據(jù)需要進(jìn)行有效擴(kuò)展，比較經(jīng)濟(jì)。
綜上所述，用PLC控制系統(tǒng)對(duì)磨床進(jìn)行控制是可行的。
三、系統(tǒng)組成及控制原理
1、系統(tǒng)的組成
機(jī)床啟動(dòng)后，磨頭由液壓滑臺(tái)快速移動(dòng)到指定位置，然后由步進(jìn)電機(jī)控制磨削的進(jìn)給。磨削分為四個(gè)過程：預(yù)磨、粗磨、精磨、光磨，每個(gè)過程的運(yùn)行距離、啟動(dòng)速度、工作速度、停止速度以及運(yùn)動(dòng)方向都由PLC設(shè)定，方向?yàn)檎龝r(shí)，正向運(yùn)行，方向?yàn)樨?fù)時(shí)，反向運(yùn)行。正向運(yùn)行的實(shí)際脈沖數(shù)就是反向運(yùn)行的給定值。當(dāng)工件直徑經(jīng)外徑測(cè)量?jī)x檢測(cè)符合精度要求時(shí)，磨削停止，磨頭快速退回原位。
為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每個(gè)控制單元都經(jīng)過了詳細(xì)的技術(shù)分析和嚴(yán)格的選型。其中，PLC選用三菱公司系列產(chǎn)品，外徑測(cè)量?jī)x是中日合資公司產(chǎn)品，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)t選用國內(nèi)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中覆蓋率較高的產(chǎn)品。所有關(guān)鍵性零部件的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
2、磨削的控制策略
為了確保在線檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采取了先預(yù)磨，再檢測(cè)，然后決定磨削策略的工藝方案。即當(dāng)工件被預(yù)磨以后，測(cè)量機(jī)構(gòu)開始工作，對(duì)預(yù)磨后的尺寸進(jìn)行評(píng)估判斷，再?zèng)Q定下面的磨削策略，如果預(yù)磨正常，就進(jìn)入相應(yīng)的磨削程序，根據(jù)磨削余量的大小，分別選擇粗磨或精磨或光磨方案；如果預(yù)磨不正常，則報(bào)警器報(bào)警并且立即退出磨削程序。磨削策略判斷邏輯框圖如圖所示。
磨削策略判斷邏輯框圖
3、磨削后處理
當(dāng)磨削尺寸檢測(cè)合格，磨削加工完成后，液壓滑臺(tái)和測(cè)量?jī)x立即快速后退至指定位置，以避免工件超差，減少測(cè)量頭的磨損，同時(shí)，工件開始定向，為工件下架作準(zhǔn)備，其后，送料架上升，頂針后退，工件隨料架下降，并由輸送帶把工件送至下料位置；另一方面，PLC自動(dòng)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)后退參數(shù)，使磨頭退至步進(jìn)進(jìn)給原位。所有動(dòng)作完成以后，加工完成，本次循環(huán)結(jié)束，下一個(gè)循環(huán)自動(dòng)重新開始。在自動(dòng)加工過程中，檢驗(yàn)員可以隨時(shí)對(duì)加工好的工件進(jìn)行抽檢，如果尺寸完全正常，繼續(xù)加工；如果尺寸雖然合格，但是已經(jīng)接近臨界點(diǎn)，可以利用外徑測(cè)量?jī)x上的調(diào)整按鈕，進(jìn)行在線補(bǔ)償，無需停機(jī)；如果尺寸已經(jīng)超差而儀器沒有報(bào)警，說明測(cè)量?jī)x出了問題，需要校驗(yàn)，可以“立即停機(jī)”檢查；如果尺寸正常，但砂輪需要修正或夾具需要調(diào)整等等，可以采取“本工件加工結(jié)束后再停機(jī)”的處置，控制系統(tǒng)相對(duì)比較靈活。磨削后處理邏輯框圖如圖所示，
磨削后處理邏輯框圖
