高峰，王清标，谭璀璨
（1.湖南大学现代工程训练中心，长沙 410082；
2.湖南大学国家高效磨削工程技术中心，长沙 410082;3.湖南中伟智能制造有限公司，长沙 410100）
随着控制技术、磨削材料、及磨床结构的发展，高速高效磨削已成为当前主要磨削加工方式。随着制造业的发展，对零件加工工艺提出了新的要求，磨削加工的应用范围已从精加工逐步扩大到粗加工领域。目前在硬质合金加工及其他一些难磨材料加工中小型企业，尤其是民营企业中，仍存在大量效率低下手动液压控制的磨床。随着磨床应用范围扩大，人力成本的提高，已严重影响到产品精度及生产效率，对其进行自动化升级改造提出了迫切需求。
国内外对非圆轮廓如凸轮轴磨削加工，随动磨削曲轴加工，因需要多轴曲线插补，在线测量，机床的数控系统主要采用西门子840DSL、发那科0i和华中数控系统。平面、内圆磨削加工，特点是零件对表面质量及尺寸精度要求高，不涉及曲线插补和算法，零件多型号、多规格。此类磨削加工相对于车、铣、加工中心市场容量小，应用场景多样化。采用标准数控系统，因其人机接口、功能定制、功能扩展方面开放性不够，难以适应个性化需求。国内外应用PLC和触摸屏作控制系统在自动化领域研究实践很多，但在精密设备磨床应用鲜有提及。
基于以上的研究分析，采用触摸屏、PLC和伺服系统开发磨床程序控制系统[1]，通过PLC编程、触摸屏画面设计，实现数控加工是一种性价比高的方案，解决中低端加工设备快速实现数控化过程中对操作简单、个性化功能需求以及功能扩展的问题。因采用PLC，对组网，数据上传也提供快速接口。本文以卧式平面磨床为例阐述控制系统的硬件构成和程序设计思路。
卧轴的矩台平面磨床结构如图1所示。床身用于安装立柱、工作台、液压系统等；
砂轮安装在砂轮架上，由电动机带动高速旋转；
滑座用于安装砂轮架；
工作台由液压驱动，液压系统由油泵、油缸、电磁阀、压力表、压力继电器等构成；
矩形磁台安装在工作台上。
图1 卧轴的矩台平面磨床结构示意图
平面磨磨削加工过程是：工件由磁台吸住或夹持在工作台上，工作台作纵向往复运动，砂轮架沿滑座的燕尾导轨作横向间歇进给运动，滑座可沿立柱的导轨作垂直间歇进给运动，用砂轮周边磨削工件。
平面磨床控制系统硬件组成主要包括触摸屏、PLC、交流伺服驱动器、电子手轮、光栅尺、伺服电机。机床还包括静压液压电机、水泵电机、电磁阀等用于工作环境建立的部件。以PLC为中央处理器，触摸屏为人机对话接口，PLC控制横向进给Z轴和砂轮架垂直进给Y轴，构成控制系统[2-6]。触摸屏与PLC之间数据实时交互，用户通过触摸屏写入加工工艺参数至PLC中相应的数据寄器，当PLC接收到控制指令时调用相关数据计算处理，执行相应加工程序，更新数据，完成自动磨削加工。控制系统硬件结构如图2所示。
图2 平面磨床控制系统结构
2.1 触摸屏
工业触摸屏在工业自动化领域广泛应用，性能稳定，操作编程方便，是人机接口重要部件，系统采用台达7寸触摸屏，型号DOP-BO7S411，人机界面通过台达触摸屏编程软件：DOPSoft 4.00.10编辑设计。数控磨床操作界面越来越多的采用触摸方式。
2.2 PLC控制器
可程序化逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是自动化控制领域核心部件，各种数控系统一般内嵌PLC控制单元或类似于PLC控制器。PLC应用深入各行各业，性能成熟稳定，许多独立小型PLC已具备丰富的运算和控制指令，可完成很多复杂运动控制，且成本比较低。
系统采用台达高性能晶体管输出PLC：DVP40EH00T3，该型号PLC具有：4轴200 kHz高速脉冲输出，支持4组200 kHz硬件高速计数器，32位元CPU+ASIC双处理器，支持浮点运算，基本指令最快执行速度达0.24 μs。控制器简易连网功能PLC Link功能可架构最多32台的连线网络。程序容量30 K步，数据寄存器12 K，性能完全满足应用需求，方便扩展工业互联网。
控制系统综合外部I/O开关量数量、高速脉冲输入输出及程序编辑规模，选用了40点输入输出晶体管型高功能标准型控制器PLC，如需增加外围设备可扩展I/O接口和模拟量接口。
2.3 伺服驱动和伺服电机
伺服驱动器选用台达标准泛用型，型号为ASDAB2-1021。横向进给Z伺服电机选用ECMA＿G31309SR。Y轴为垂直轴，驱动电机选用带有刹车的驱动电机型号ECMA＿G31309SS。驱动器利用精密的回授控制及结合高速运算能力的数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），控制IGBT产生精确的电流输出，用来驱动三相永磁式同步交流伺服电机达到精准定位，具有良好的性能。
2.4 电子手轮和光栅尺
在精密加工设备中，为了方便零件件对刀，及手动微进给，调试产品，往往会配置电子手轮。控制系统中选用AB相24V，每转100个脉冲的手揺脉冲发生器。手轮接入PLC硬件高速计数输入端子X0、X1，系统选用型号：SF-PMG4-EC-2。
光栅尺安装在垂直Y轴上，用于Y轴位置反馈实时反馈，光栅尺与PLC相匹配，选用AB相24 V，分辨率为0.5 μM的光栅尺，2 μM一个脉冲。光栅尺接入PLC高速计数输入端X4、X5输入端子，设定启用X4、X5为高速计数用功能，实现垂直轴高精度全闭环控制。
控制系统的程序设计包含触摸屏程序设计和PLC控制程序编制。
3.1 用户操作界面设计
采用二级菜单方式设计，界面由主画面、参数设置、手动控制、IO监控、报警5个画面构成，总体设计框图如图3所示。主界面实现各轴坐标显示、功能部件、磨削相关工艺参数、工作方式选择等监控状态[7]。如图4所示。加工参数界面（图5）是操作人员主要使用的界面，设有加工过程的工艺参数，参数设有权限保护，操作人员只需修改常用磨削参数如粗磨量、精磨量、光磨次数及进刀速度等工艺参数，即可投入生产。手动控制界面用于零件加工时手动移动伺服轴，用于对刀、测量和维修。I/O监控及报警用于对机床的各开关量信号的监控及当有报警输出时形成报警履历，方便维修技术人员诊断故障。画面数据与PLC程序设计悉悉相关，画面各类控件数据与PLC数据寄存器实时交换数据，设置权限保护、数据有效性检查，有效的防止了误操作。触摸屏操作方便、画面及扩展功能强，修改变更方便，适合于个性化开发需求。
图3 画面设计框图
图4 主界面
图5 参数设置界面
3.2 PLC程序设计
控制系统的设计关键点在于PLC程序的编制，经过对机床设备类的控制需求进行研究分析，程序的不同功能分块设计，系统控制按功能块的程序结构如图6所示。
图6 程序结构框图
台达ISPSoft3.05版PLC编程软件很好地满足了程序分块设计需求，不同的功能分别编制在不同子程序中，具体定义为：1主程序；
2机床控制；
3手动控制；
4手轮和光栅处理子程序；
5自动加工；
6伺服脉冲输出。机床工作方式分为手动、手轮、自动3种方式，工作方式之间互锁。硬质合金加工中，因材料硬度高，存在个别零件表面差异，偶尔会有积刀现象出现，为此在自动加工子程序中设置暂停功能。加工暂停时为了实现手动介入加工，实现微进给、微调整功能，设置在暂停条件下开放电子手轮功能，同时为了方便观察坐标变化，设置坐标清零按键功能，满足此类磨削加工中的用户功能需求。
主程序主要功能是系统参数设定、通讯参数设定、变量定义及初始化、特殊寄存器设定参数。如硬件高速计数器HHSC0与HHSC1相关参数设定，设定AB相脉冲计数4倍频；
利用PLC第一次循环扫描周期执行特殊辅助继电器M1002脉冲，用DMOV指令将数值4赋值给特珠数据寄存器D1225、1226完成功能设定。
机床控制子程序完成工作环境建立，如：液压电机、砂轮电机、磁台上下磁，设备的功能互锁，外部信号检测功能。随着磨床主轴系统的更新换代，主轴一般会升级为动静压主轴，同步增加了静压油箱、油箱冷却机控制，主轴失压、延时保护。PLC控制取代传统电路，有效保证控制电路稳定运行。
手动控制、手轮和光栅处理子程序，自动加工子程序，最终处理目标都是控制伺服轴按程序设定移动，即通过相关子程序运算输出脉冲至驱动器给，从而驱动电机旋转。
手动控制，用于砂轮垂直伺服Y轴和横向进给Z轴手动快速运行，取代手摇机械手轮。当按下轴移动按键时，程序通过DMOV指令赋值一个大于有效行程的脉冲数给一个自定义辅助寄存器D34，当条件满足时，D34内数据传送至自定义输出寄存器D40输出，通过伺服驱动控制程序输出给伺服驱动，实现轴移动。
手轮进给子程序，手轮生效时，读取高速计数器C251脉冲计数，通过程序转换单个脉冲映射不同的输出脉冲个数，同时改变脉冲输出频率来改变给速度，实现手轮移动伺服轴。具体编程是设计3档进给量，X1、X10、X100，分别对应为手轮一格进给1 μm、0.01 mm、0.1 mm，同时给定相应的进给速度，当旋转电子手轮时，程序实时赋值转换后需要输出的脉冲数至寄存器D34，满足输出条件，驱动控制程序按指定的脉冲频率输出D40内脉冲数至驱动器，从而电机运转。
自动加工程序按零件磨削工艺流程编制，用户只需通过参数设置画面输入工艺参数，从实现了参数化编程，操作简单且不易出错。磨削工艺的流程如图7所示。
图7 加工工艺流程图
伺服脉冲输出控制，是控制系统关键程序，伺服驱动采取脉冲加方向模式，使用DDRVI相对位置控制指令。指令格式DDRVI S1 S2 D1 D2，S1：输出个数，S2：脉冲输出频率，D1：脉冲输出点，D2：脉冲输出方向。
各控制子程序，会给出需要输出的脉冲个数及脉冲输出频率(速度)，通过变量赋值传递至S1，S2，当控制条件满足时执行位置指令DDRVI，通过PLC的输出点Y0、Y1输出至驱动器驱动轴移动。伺服脉冲控制PLC部分程序如图8所示。
图8 脉冲输出程序
经对磨床的工艺研究，为了消除轴承、丝杆机械误差，程序设置了反向间隙补尝功能。程序实时判断D34辅助寄存器的脉冲数正负值，预先获取轴运行方向是否改变，条件成立设置反向补偿标志位M400，程序先执行存储在D500数据寄存器的反向间隙补偿脉冲数，保持机床坐标不变，随即清除反向标志位。PLC程序运算要输出的脉冲数D34寄存器值会实时传送至D40，执行完脉冲输出后，D34、D40清零，D200、D202、D206为程序给定进给速度。
当伺服轴移动，轴的移动坐标数据实时更新，通过触摸屏实时显示轴的位置坐标[8-9]。Y轴坐标处理程序如图9所示。
图9 Y轴坐标程序
D1336是PLC特殊数据寄存器，用于存储Y0输出脉冲计数；
D560机械坐标暂存器；
D556坐标原点偏移；
D100用于触摸屏上Y轴坐标显示的数据寄存器。
光栅尺为位置精密检测传感器，系统通过直线光栅尺构成轴的全闭环控制。使用光栅尺与机床机械性能相关，机械性能稳定，无爬行的情况下能取得较好的效果。其实现的原理是给定位置值与反馈位置比较，然后进行动态补偿修正。
3.3 伺服驱动参数调整与优化
精确到μ级的控制，对伺服驱动器优化是必要步骤[10-11]。首先设定伺服基本参数如：位置控制模式选择；
I/O信号端子功能选择；
电子齿轮比等。
驱动器动态控制性能参数缺省值只适合一般情下的应用，磨床上的应用需要对伺服参数进行优化。在连接负载的真实加工条件下，利用台达伺服调试软件进行参数调节，通过伺服软件自学习功能，反复多次执行优化功能，正确的设置电机惯量比p1-37，调节伺服刚度等级，通过在自动的优化的基础上微调驱动器速度环增益p2-04、位置循环增益p2-00，减小速度积分时间p2-06，尽量提高工作频率带宽，当出现啸叫时增加滤波抑制共振点，提高位置响应特性[12-15]。最终伺服参数结果应保证电机在啸叫共振点以频段下运行。
控制系统测试分为程序功能测试和控制精度测试。
程序功能测试：空运行测试操作，经反复调试，输入加工参数运算模拟加工运行，最终数据计算正确，轴坐标位置显示准确，互锁功能正常。手轮运行和轴快速移动，伺服跟踪运行平稳无迟滞现象。
控制精度测试：通过千分表反复测定其各项精度指标，因加工零件尺寸精度依赖于的垂直Y轴精度，对其精度进行重点测试，其结检查如表1所示。
表1 机床精度测试结果mm
结果证明，机床精度各项指标均高于国标，控制系统性能稳定。
触摸屏加PLC控制的开放式控制系统因其操作灵活、精度高、扩展功能和二次开发功能强，越来越多的应用于自动化行业。在精度高，功能相对简单数控加工领域也将会扩大应用。精密设备在制造和改造时，都需对其轴的坐标位置精确控制及显示，一般都需配置手轮来微调整，伺服进行优化也是必不可少的环节，操作功能上都会存在手动、自动等多种工种方式切换。
本文采用触摸屏、PLC和伺服驱动开发控制系统，复现了开发设计过程，实现了以上数控加工常用功能。控制系统成功在一批平面轴磨床、内圆磨床应用，加工零件尺寸精度达正负0.003μm，满足加工要求，提高加工精度和生产效率，产生了很大的经济效益。实践证明了系统性能稳定，性价比高，在精密加工设备开发设计上有很强的实用性、示范性。
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