艾默生CT PLC在數(shù)控磨溝機中的應(yīng)用

摘 要：在對數(shù)控磨溝機產(chǎn)品原理分析的基礎(chǔ)上，論述了基于艾默生CT EC20H高速運動控制型PLC在機床數(shù)控集成自動化系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。對于需要多軸插補功能的機電伺服控制領(lǐng)域，艾默生CT EC20H產(chǎn)品表現(xiàn)出強大的技術(shù)優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：PLC 磨溝機 伺服 EC20H

1 引言

磨床屬于金屬工件表面精密加工機床。磨床基本原理是用砂輪或油石（刃具）對零件表面做淺深度微量切削加工。磨削時的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金屬層很薄。磨具旋轉(zhuǎn)為主運動，工件或磨具的移動為進(jìn)給運動。磨床加工精度高、表面粗糙度Ra值小。磨削加工可以獲得較高的加工精度和很小的表面粗糙度值。磨削不但可以加工軟材料，如未淬火鋼、鑄鐵和有色金屬等，而且還可以加工淬火鋼及其他刀具不能加工的硬質(zhì)材料如陶瓷與硬質(zhì)合金等。

數(shù)控磨溝機屬于磨床的一種，主要用于磨制絲錐鉆頭等硬質(zhì)合金工具排屑槽，屬于比較冷僻的專用機械加工設(shè)備，用量不大，生產(chǎn)廠家也比較少，以進(jìn)口設(shè)備為主。由于數(shù)控磨溝機對控制系統(tǒng)的要求較高，難度也比較大，本項目研發(fā)幾乎用到了艾默生CT EC20H型高速運動控制專用PLC的全部重要功能。數(shù)控磨溝機外形參見圖1。

圖1 數(shù)控磨溝機

2 數(shù)控磨溝機概念設(shè)計

2.1 系統(tǒng)需求分析

（1）工件進(jìn)給分度控制。當(dāng)加工工件進(jìn)給時，分度軸旋轉(zhuǎn)分度主要有兩個工藝要求，一是在加工過程中不允許改變分度方向，只能單向旋轉(zhuǎn)用以消除機械設(shè)備的反線誤差；二是分度加工時對溝槽加工的順序有特殊要求，而且刃數(shù)為偶數(shù)或奇數(shù)還有所不同。

偶數(shù)以一個8個刃數(shù)的銑刀為例，每個溝槽的加工順序是1，5，2，6，3，7，4，8。即第一刃加工完成后，第一刃的起刀點與下一刃起刀點角度差為A，下一刃加工完成后這一刃的起刀點與后一刃的起刀點角度差為B，以此類推直到加工到最后一刃完成，如圖2所示。

圖2 偶數(shù)分度

奇數(shù)以一個5個刃數(shù)的銑刀為例，每個溝槽的加工順序是1，3，5，2，4，如圖3所示。

圖3 奇數(shù)分度

（2）砂輪漸增量進(jìn)給控制。工件在加工過程中，溝槽深度是逐漸變淺的一個過程。漸增量是指工件送進(jìn)100mm時，砂輪提升的高度，如圖4所示。

圖4 砂輪漸增量

（3）砂輪修整補償控制。砂輪修整是因加工工藝的需求，而將砂輪的橫截面修整成所需要的形狀，常用砂輪載面形狀，有兩直線一圓弧，一直線兩圓弧，三圓弧，如圖5所示。

圖5 砂輪載面形狀

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）產(chǎn)品加工功能：送料軸用于控制產(chǎn)品的進(jìn)給，旋轉(zhuǎn)軸通過直線插補功能，實現(xiàn)與送料軸的同步旋轉(zhuǎn)，用以生產(chǎn)出固定螺距和導(dǎo)程角的產(chǎn)品，砂輪進(jìn)給軸通過電子齒輪功能，實現(xiàn)與進(jìn)料軸固定比例的提升。

（2）修整砂輪功能：為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，不同的用戶會將砂輪修整成不同的截面形狀，該功能通過Y軸與Z軸的直線或圓弧插補實現(xiàn)該功能。

2.3 系統(tǒng)概念設(shè)計

按自動化程度可分為三種機電組合自動化方案。

（1）純液壓控制型：PLC僅提供邏輯控制，產(chǎn)品的制作和砂輪的修整完全靠液壓和機械進(jìn)行。

（2）普通PLC+液壓控制：PLC控制一個旋轉(zhuǎn)軸(A軸)實現(xiàn)工件的分度功能，工件的進(jìn)給和磨削等功能靠液壓及機械完成。

（3）NC（數(shù)控加工中心）系統(tǒng)：例如采用三菱的NC E60系統(tǒng)，控制三個軸(X+Y+A)實現(xiàn)產(chǎn)品的制作，主要實現(xiàn)了工件的進(jìn)給和工件分度功能，砂輪的修整完全靠液壓系統(tǒng)完成，是目前自動化程度較高的解決方案之一。

3 艾默生CT EC20H解決方案

3.1 原理設(shè)計

本項目應(yīng)用艾默生CT EC20H型高速運動控制專用PLC實現(xiàn)X+Y+Z+A軸全軸伺服控制，實現(xiàn)的功能高于數(shù)控加工中心。項目增加了砂輪的修整和砂輪磨損補償功能，也是該項目中難度最大的部分。基于艾默生CT EC20H型PLC解決方案的系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 艾默生CT PLC全軸伺服系統(tǒng)框圖

3.2 電控系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)配置如圖7所示：觸摸屏HMI用于參數(shù)設(shè)定、設(shè)備狀態(tài)顯示等功能。伺服用于工作進(jìn)給軸、旋轉(zhuǎn)軸、砂輪進(jìn)給軸、磨頭軸的控制。永磁無刷電機用于控制磨頭的轉(zhuǎn)動。普通電機用于控制砂輪的轉(zhuǎn)動。

圖7 電控系統(tǒng)

3.3 EC20H伺服控制設(shè)計

（1）各軸的單獨控制：實現(xiàn)X、Y、Z、A各軸的手動控制功能，可以讓用戶單獨控制各軸的運行。主要是用于對刀，手動調(diào)試等功能，使用DRVI指令實現(xiàn)該功能。

（2）插補功能：X軸與A軸：線性插補，用于實現(xiàn)產(chǎn)品的螺距和導(dǎo)程角度；螺距和導(dǎo)程角度是加工產(chǎn)品的兩個重要技術(shù)參數(shù)，通過X軸與A軸的線性插補實現(xiàn)該功能。X軸以一定的速度前進(jìn)，A軸通過渦輪渦桿實現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，這樣就可實現(xiàn)工件按所設(shè)定的螺距和導(dǎo)程角度進(jìn)行運行。通過LIN指令實現(xiàn)該功能。

（3）X軸與Y軸：電子齒輪，用于實現(xiàn)磨溝深度的遞減，在磨削過程中，磨溝深度是與進(jìn)料長度成線性遞減的；通過GEARBOX指令實現(xiàn)該功能。

（4）Y軸與Z軸：線性及圓弧插補，根據(jù)用戶的要求，可以實現(xiàn)修整出不同截面形狀的砂輪；首先通過AUTOCAD導(dǎo)入該截面形狀，然后將對應(yīng)的坐標(biāo)用D元件替代，以便用戶可以通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。主要用到LIN和CCW指令。

（5）原點回歸：該設(shè)備在初始上電時，要進(jìn)行圓點回歸，以實現(xiàn)設(shè)備開始運行時都會在一個同樣的初始狀態(tài)。同時，所有的坐標(biāo)歸零。使用DSZR指令實現(xiàn)該功能。

4 結(jié)束語

目前該項目的主要功能已經(jīng)實現(xiàn)，和數(shù)控加工中心相比，增加了砂輪載形修整功能，顯現(xiàn)出EC20H運行控制型PLC所具有的優(yōu)異的技術(shù)特點。對于需要多軸插補功能的應(yīng)用場合，基于艾默生CT PLC的機電一體化系統(tǒng)集成產(chǎn)品將表現(xiàn)出強大的技術(shù)優(yōu)勢。