［摘要］：在對數(shù)控磨溝機產(chǎn)品原理分析的基礎上，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)設計中的應用。對于需要多軸插補功能的機電伺服控制領域，艾默生CT EC20H產(chǎn)品表現(xiàn)出強大的技術優(yōu)勢。
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。磨具旋轉為主運動，工件或磨具的移動為進給運動。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備，用量不大，生產(chǎn)廠家也比較少，以進口設備為主。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)控磨溝機概念設計
2.1 系統(tǒng)需求分析
（1）工件進給分度控制。當加工工件進給時，分度軸旋轉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，只能單向旋轉用以消除機械設備的反線誤差；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。
圖2 偶數(shù)分度
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3 奇數(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。
（2）砂輪漸增量進給控制。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)功能設計
（1）產(chǎn)品加工功能：送料軸用于控制產(chǎn)品的進給，旋轉軸通過直線插補功能，實現(xiàn)與送料軸的同步旋轉，用以生產(chǎn)出固定螺距和導程角的產(chǎn)品，砂輪進給軸通過電子齒輪功能，實現(xiàn)與進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行。
（2）普通PLC+液壓控制：PLC控制一個旋轉軸(A軸)實現(xiàn)工件的分度功能，工件的進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 原理設計
本項目應用艾默生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)設計
電控系統(tǒng)配置如圖7所示：觸摸屏HMI用于參數(shù)設定、設備狀態(tài)顯示等功能。伺服用于工作進給軸、旋轉軸、砂輪進給軸、磨頭軸的控制。永磁無刷電機用于控制磨頭的轉動。普通電機用于控制砂輪的轉動。
圖7 電控系統(tǒng)
3.3 EC20H伺服控制設計
（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)品的螺距和導程角度；螺距和導程角度是加工產(chǎn)品的兩個重要技術參數(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，A軸通過渦輪渦桿實現(xiàn)工件的旋轉，以一定的角速度旋轉，這樣就可實現(xiàn)工件按所設定的螺距和導程角度進行運行。
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導入該截面形狀，然后將對應的坐標用D元件替代，以便用戶可以通過觸摸屏進行設定。主要用到LIN和CCW指令。
（5）原點回歸：該設備在初始上電時，要進行圓點回歸，以實現(xiàn)設備開始運行時都會在一個同樣的初始狀態(tài)。同時，所有的坐標歸零。使用DSZR指令實現(xiàn)該功能。
4 結束語
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)異的技術特點。對于需要多軸插補功能的應用場合，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)出強大的技術優(yōu)勢。