基于PLC和觸摸屏的平面磨床控制系統(tǒng)開發(fā)

高峰，王清標(biāo)，譚璀璨

（1.湖南大學(xué)現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，長沙 410082；2.湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)中心，長沙 410082;3.湖南中偉智能制造有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著控制技術(shù)、磨削材料、及磨床結(jié)構(gòu)的發(fā)展，高速高效磨削已成為當(dāng)前主要磨削加工方式。隨著制造業(yè)的發(fā)展，對零件加工工藝提出了新的要求，磨削加工的應(yīng)用范圍已從精加工逐步擴(kuò)大到粗加工領(lǐng)域。目前在硬質(zhì)合金加工及其他一些難磨材料加工中小型企業(yè)，尤其是民營企業(yè)中，仍存在大量效率低下手動液壓控制的磨床。隨著磨床應(yīng)用范圍擴(kuò)大，人力成本的提高，已嚴(yán)重影響到產(chǎn)品精度及生產(chǎn)效率，對其進(jìn)行自動化升級改造提出了迫切需求。

國內(nèi)外對非圓輪廓如凸輪軸磨削加工，隨動磨削曲軸加工，因需要多軸曲線插補(bǔ)，在線測量，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)主要采用西門子840DSL、發(fā)那科0i和華中數(shù)控系統(tǒng)。平面、內(nèi)圓磨削加工，特點(diǎn)是零件對表面質(zhì)量及尺寸精度要求高，不涉及曲線插補(bǔ)和算法，零件多型號、多規(guī)格。此類磨削加工相對于車、銑、加工中心市場容量小，應(yīng)用場景多樣化。采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)，因其人機(jī)接口、功能定制、功能擴(kuò)展方面開放性不夠，難以適應(yīng)個(gè)性化需求。國內(nèi)外應(yīng)用PLC和觸摸屏作控制系統(tǒng)在自動化領(lǐng)域研究實(shí)踐很多，但在精密設(shè)備磨床應(yīng)用鮮有提及。

基于以上的研究分析，采用觸摸屏、PLC和伺服系統(tǒng)開發(fā)磨床程序控制系統(tǒng)[1]，通過PLC編程、觸摸屏畫面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工是一種性價(jià)比高的方案，解決中低端加工設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)數(shù)控化過程中對操作簡單、個(gè)性化功能需求以及功能擴(kuò)展的問題。因采用PLC，對組網(wǎng)，數(shù)據(jù)上傳也提供快速接口。本文以臥式平面磨床為例闡述控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和程序設(shè)計(jì)思路。

1 平面磨床工作原理

臥軸的矩臺平面磨床結(jié)構(gòu)如圖1所示。床身用于安裝立柱、工作臺、液壓系統(tǒng)等；砂輪安裝在砂輪架上，由電動機(jī)帶動高速旋轉(zhuǎn)；滑座用于安裝砂輪架；工作臺由液壓驅(qū)動，液壓系統(tǒng)由油泵、油缸、電磁閥、壓力表、壓力繼電器等構(gòu)成；矩形磁臺安裝在工作臺上。

圖1 臥軸的矩臺平面磨床結(jié)構(gòu)示意圖

平面磨磨削加工過程是：工件由磁臺吸住或夾持在工作臺上，工作臺作縱向往復(fù)運(yùn)動，砂輪架沿滑座的燕尾導(dǎo)軌作橫向間歇進(jìn)給運(yùn)動，滑座可沿立柱的導(dǎo)軌作垂直間歇進(jìn)給運(yùn)動，用砂輪周邊磨削工件。

2 平面磨床控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

平面磨床控制系統(tǒng)硬件組成主要包括觸摸屏、PLC、交流伺服驅(qū)動器、電子手輪、光柵尺、伺服電機(jī)。機(jī)床還包括靜壓液壓電機(jī)、水泵電機(jī)、電磁閥等用于工作環(huán)境建立的部件。以PLC為中央處理器，觸摸屏為人機(jī)對話接口，PLC控制橫向進(jìn)給Z軸和砂輪架垂直進(jìn)給Y軸，構(gòu)成控制系統(tǒng)[2-6]。觸摸屏與PLC之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，用戶通過觸摸屏寫入加工工藝參數(shù)至PLC中相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄器，當(dāng)PLC接收到控制指令時(shí)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，執(zhí)行相應(yīng)加工程序，更新數(shù)據(jù)，完成自動磨削加工。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平面磨床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 觸摸屏

工業(yè)觸摸屏在工業(yè)自動化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，性能穩(wěn)定，操作編程方便，是人機(jī)接口重要部件，系統(tǒng)采用臺達(dá)7寸觸摸屏，型號DOP-BO7S411，人機(jī)界面通過臺達(dá)觸摸屏編程軟件：DOPSoft 4.00.10編輯設(shè)計(jì)。數(shù)控磨床操作界面越來越多的采用觸摸方式。

2.2 PLC控制器

可程序化邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是自動化控制領(lǐng)域核心部件，各種數(shù)控系統(tǒng)一般內(nèi)嵌PLC控制單元或類似于PLC控制器。PLC應(yīng)用深入各行各業(yè)，性能成熟穩(wěn)定，許多獨(dú)立小型PLC已具備豐富的運(yùn)算和控制指令，可完成很多復(fù)雜運(yùn)動控制，且成本比較低。

系統(tǒng)采用臺達(dá)高性能晶體管輸出PLC：DVP40EH00T3，該型號PLC具有：4軸200 kHz高速脈沖輸出，支持4組200 kHz硬件高速計(jì)數(shù)器，32位元CPU+ASIC雙處理器，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，基本指令最快執(zhí)行速度達(dá)0.24 μs。控制器簡易連網(wǎng)功能PLC Link功能可架構(gòu)最多32臺的連線網(wǎng)絡(luò)。程序容量30 K步，數(shù)據(jù)寄存器12 K，性能完全滿足應(yīng)用需求，方便擴(kuò)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

控制系統(tǒng)綜合外部I/O開關(guān)量數(shù)量、高速脈沖輸入輸出及程序編輯規(guī)模，選用了40點(diǎn)輸入輸出晶體管型高功能標(biāo)準(zhǔn)型控制器PLC，如需增加外圍設(shè)備可擴(kuò)展I/O接口和模擬量接口。

2.3 伺服驅(qū)動和伺服電機(jī)

伺服驅(qū)動器選用臺達(dá)標(biāo)準(zhǔn)泛用型，型號為ASDAB2-1021。橫向進(jìn)給Z伺服電機(jī)選用ECMA＿G31309SR。Y軸為垂直軸，驅(qū)動電機(jī)選用帶有剎車的驅(qū)動電機(jī)型號ECMA＿G31309SS。驅(qū)動器利用精密的回授控制及結(jié)合高速運(yùn)算能力的數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），控制IGBT產(chǎn)生精確的電流輸出，用來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)達(dá)到精準(zhǔn)定位，具有良好的性能。

2.4 電子手輪和光柵尺

在精密加工設(shè)備中，為了方便零件件對刀，及手動微進(jìn)給，調(diào)試產(chǎn)品，往往會配置電子手輪。控制系統(tǒng)中選用AB相24V，每轉(zhuǎn)100個(gè)脈沖的手揺脈沖發(fā)生器。手輪接入PLC硬件高速計(jì)數(shù)輸入端子X0、X1，系統(tǒng)選用型號：SF-PMG4-EC-2。

光柵尺安裝在垂直Y軸上，用于Y軸位置反饋實(shí)時(shí)反饋，光柵尺與PLC相匹配，選用AB相24 V，分辨率為0.5 μM的光柵尺，2 μM一個(gè)脈沖。光柵尺接入PLC高速計(jì)數(shù)輸入端X4、X5輸入端子，設(shè)定啟用X4、X5為高速計(jì)數(shù)用功能，實(shí)現(xiàn)垂直軸高精度全閉環(huán)控制。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包含觸摸屏程序設(shè)計(jì)和PLC控制程序編制。

3.1 用戶操作界面設(shè)計(jì)

采用二級菜單方式設(shè)計(jì)，界面由主畫面、參數(shù)設(shè)置、手動控制、IO監(jiān)控、報(bào)警5個(gè)畫面構(gòu)成，總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。主界面實(shí)現(xiàn)各軸坐標(biāo)顯示、功能部件、磨削相關(guān)工藝參數(shù)、工作方式選擇等監(jiān)控狀態(tài)[7]。如圖4所示。加工參數(shù)界面（圖5）是操作人員主要使用的界面，設(shè)有加工過程的工藝參數(shù)，參數(shù)設(shè)有權(quán)限保護(hù)，操作人員只需修改常用磨削參數(shù)如粗磨量、精磨量、光磨次數(shù)及進(jìn)刀速度等工藝參數(shù)，即可投入生產(chǎn)。手動控制界面用于零件加工時(shí)手動移動伺服軸，用于對刀、測量和維修。I/O監(jiān)控及報(bào)警用于對機(jī)床的各開關(guān)量信號的監(jiān)控及當(dāng)有報(bào)警輸出時(shí)形成報(bào)警履歷，方便維修技術(shù)人員診斷故障。畫面數(shù)據(jù)與PLC程序設(shè)計(jì)悉悉相關(guān)，畫面各類控件數(shù)據(jù)與PLC數(shù)據(jù)寄存器實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，設(shè)置權(quán)限保護(hù)、數(shù)據(jù)有效性檢查，有效的防止了誤操作。觸摸屏操作方便、畫面及擴(kuò)展功能強(qiáng)，修改變更方便，適合于個(gè)性化開發(fā)需求。

圖3 畫面設(shè)計(jì)框圖

圖4 主界面

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于PLC程序的編制，經(jīng)過對機(jī)床設(shè)備類的控制需求進(jìn)行研究分析，程序的不同功能分塊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制按功能塊的程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 程序結(jié)構(gòu)框圖

臺達(dá)ISPSoft3.05版PLC編程軟件很好地滿足了程序分塊設(shè)計(jì)需求，不同的功能分別編制在不同子程序中，具體定義為：1主程序；2機(jī)床控制；3手動控制；4手輪和光柵處理子程序；5自動加工；6伺服脈沖輸出。機(jī)床工作方式分為手動、手輪、自動3種方式，工作方式之間互鎖。硬質(zhì)合金加工中，因材料硬度高，存在個(gè)別零件表面差異，偶爾會有積刀現(xiàn)象出現(xiàn)，為此在自動加工子程序中設(shè)置暫停功能。加工暫停時(shí)為了實(shí)現(xiàn)手動介入加工，實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給、微調(diào)整功能，設(shè)置在暫停條件下開放電子手輪功能，同時(shí)為了方便觀察坐標(biāo)變化，設(shè)置坐標(biāo)清零按鍵功能，滿足此類磨削加工中的用戶功能需求。

主程序主要功能是系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、通訊參數(shù)設(shè)定、變量定義及初始化、特殊寄存器設(shè)定參數(shù)。如硬件高速計(jì)數(shù)器HHSC0與HHSC1相關(guān)參數(shù)設(shè)定，設(shè)定AB相脈沖計(jì)數(shù)4倍頻；利用PLC第一次循環(huán)掃描周期執(zhí)行特殊輔助繼電器M1002脈沖，用DMOV指令將數(shù)值4賦值給特珠數(shù)據(jù)寄存器D1225、1226完成功能設(shè)定。

機(jī)床控制子程序完成工作環(huán)境建立，如：液壓電機(jī)、砂輪電機(jī)、磁臺上下磁，設(shè)備的功能互鎖，外部信號檢測功能。隨著磨床主軸系統(tǒng)的更新?lián)Q代，主軸一般會升級為動靜壓主軸，同步增加了靜壓油箱、油箱冷卻機(jī)控制，主軸失壓、延時(shí)保護(hù)。PLC控制取代傳統(tǒng)電路，有效保證控制電路穩(wěn)定運(yùn)行。

手動控制、手輪和光柵處理子程序，自動加工子程序，最終處理目標(biāo)都是控制伺服軸按程序設(shè)定移動，即通過相關(guān)子程序運(yùn)算輸出脈沖至驅(qū)動器給，從而驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

手動控制，用于砂輪垂直伺服Y軸和橫向進(jìn)給Z軸手動快速運(yùn)行，取代手搖機(jī)械手輪。當(dāng)按下軸移動按鍵時(shí)，程序通過DMOV指令賦值一個(gè)大于有效行程的脈沖數(shù)給一個(gè)自定義輔助寄存器D34，當(dāng)條件滿足時(shí)，D34內(nèi)數(shù)據(jù)傳送至自定義輸出寄存器D40輸出，通過伺服驅(qū)動控制程序輸出給伺服驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)軸移動。

手輪進(jìn)給子程序，手輪生效時(shí)，讀取高速計(jì)數(shù)器C251脈沖計(jì)數(shù)，通過程序轉(zhuǎn)換單個(gè)脈沖映射不同的輸出脈沖個(gè)數(shù)，同時(shí)改變脈沖輸出頻率來改變給速度，實(shí)現(xiàn)手輪移動伺服軸。具體編程是設(shè)計(jì)3檔進(jìn)給量，X1、X10、X100，分別對應(yīng)為手輪一格進(jìn)給1 μm、0.01 mm、0.1 mm，同時(shí)給定相應(yīng)的進(jìn)給速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)電子手輪時(shí)，程序?qū)崟r(shí)賦值轉(zhuǎn)換后需要輸出的脈沖數(shù)至寄存器D34，滿足輸出條件，驅(qū)動控制程序按指定的脈沖頻率輸出D40內(nèi)脈沖數(shù)至驅(qū)動器，從而電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

自動加工程序按零件磨削工藝流程編制，用戶只需通過參數(shù)設(shè)置畫面輸入工藝參數(shù)，從實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化編程，操作簡單且不易出錯(cuò)。磨削工藝的流程如圖7所示。

圖7 加工工藝流程圖

伺服脈沖輸出控制，是控制系統(tǒng)關(guān)鍵程序，伺服驅(qū)動采取脈沖加方向模式，使用DDRVI相對位置控制指令。指令格式DDRVI S1 S2 D1 D2，S1：輸出個(gè)數(shù)，S2：脈沖輸出頻率，D1：脈沖輸出點(diǎn)，D2：脈沖輸出方向。

各控制子程序，會給出需要輸出的脈沖個(gè)數(shù)及脈沖輸出頻率(速度)，通過變量賦值傳遞至S1，S2，當(dāng)控制條件滿足時(shí)執(zhí)行位置指令DDRVI，通過PLC的輸出點(diǎn)Y0、Y1輸出至驅(qū)動器驅(qū)動軸移動。伺服脈沖控制PLC部分程序如圖8所示。

圖8 脈沖輸出程序

經(jīng)對磨床的工藝研究，為了消除軸承、絲桿機(jī)械誤差，程序設(shè)置了反向間隙補(bǔ)嘗功能。程序?qū)崟r(shí)判斷D34輔助寄存器的脈沖數(shù)正負(fù)值，預(yù)先獲取軸運(yùn)行方向是否改變，條件成立設(shè)置反向補(bǔ)償標(biāo)志位M400，程序先執(zhí)行存儲在D500數(shù)據(jù)寄存器的反向間隙補(bǔ)償脈沖數(shù)，保持機(jī)床坐標(biāo)不變，隨即清除反向標(biāo)志位。PLC程序運(yùn)算要輸出的脈沖數(shù)D34寄存器值會實(shí)時(shí)傳送至D40，執(zhí)行完脈沖輸出后，D34、D40清零，D200、D202、D206為程序給定進(jìn)給速度。

當(dāng)伺服軸移動，軸的移動坐標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示軸的位置坐標(biāo)[8-9]。Y軸坐標(biāo)處理程序如圖9所示。

圖9 Y軸坐標(biāo)程序

D1336是PLC特殊數(shù)據(jù)寄存器，用于存儲Y0輸出脈沖計(jì)數(shù)；D560機(jī)械坐標(biāo)暫存器；D556坐標(biāo)原點(diǎn)偏移；D100用于觸摸屏上Y軸坐標(biāo)顯示的數(shù)據(jù)寄存器。

光柵尺為位置精密檢測傳感器，系統(tǒng)通過直線光柵尺構(gòu)成軸的全閉環(huán)控制。使用光柵尺與機(jī)床機(jī)械性能相關(guān)，機(jī)械性能穩(wěn)定，無爬行的情況下能取得較好的效果。其實(shí)現(xiàn)的原理是給定位置值與反饋位置比較，然后進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償修正。

3.3 伺服驅(qū)動參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化

精確到μ級的控制，對伺服驅(qū)動器優(yōu)化是必要步驟[10-11]。首先設(shè)定伺服基本參數(shù)如：位置控制模式選擇；I/O信號端子功能選擇；電子齒輪比等。

驅(qū)動器動態(tài)控制性能參數(shù)缺省值只適合一般情下的應(yīng)用，磨床上的應(yīng)用需要對伺服參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在連接負(fù)載的真實(shí)加工條件下，利用臺達(dá)伺服調(diào)試軟件進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過伺服軟件自學(xué)習(xí)功能，反復(fù)多次執(zhí)行優(yōu)化功能，正確的設(shè)置電機(jī)慣量比p1-37，調(diào)節(jié)伺服剛度等級，通過在自動的優(yōu)化的基礎(chǔ)上微調(diào)驅(qū)動器速度環(huán)增益p2-04、位置循環(huán)增益p2-00，減小速度積分時(shí)間p2-06，盡量提高工作頻率帶寬，當(dāng)出現(xiàn)嘯叫時(shí)增加濾波抑制共振點(diǎn)，提高位置響應(yīng)特性[12-15]。最終伺服參數(shù)結(jié)果應(yīng)保證電機(jī)在嘯叫共振點(diǎn)以頻段下運(yùn)行。

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

控制系統(tǒng)測試分為程序功能測試和控制精度測試。

程序功能測試：空運(yùn)行測試操作，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，輸入加工參數(shù)運(yùn)算模擬加工運(yùn)行，最終數(shù)據(jù)計(jì)算正確，軸坐標(biāo)位置顯示準(zhǔn)確，互鎖功能正常。手輪運(yùn)行和軸快速移動，伺服跟蹤運(yùn)行平穩(wěn)無遲滯現(xiàn)象。

控制精度測試：通過千分表反復(fù)測定其各項(xiàng)精度指標(biāo)，因加工零件尺寸精度依賴于的垂直Y軸精度，對其精度進(jìn)行重點(diǎn)測試，其結(jié)檢查如表1所示。

表1 機(jī)床精度測試結(jié)果mm

結(jié)果證明，機(jī)床精度各項(xiàng)指標(biāo)均高于國標(biāo)，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

觸摸屏加PLC控制的開放式控制系統(tǒng)因其操作靈活、精度高、擴(kuò)展功能和二次開發(fā)功能強(qiáng)，越來越多的應(yīng)用于自動化行業(yè)。在精度高，功能相對簡單數(shù)控加工領(lǐng)域也將會擴(kuò)大應(yīng)用。精密設(shè)備在制造和改造時(shí)，都需對其軸的坐標(biāo)位置精確控制及顯示，一般都需配置手輪來微調(diào)整，伺服進(jìn)行優(yōu)化也是必不可少的環(huán)節(jié)，操作功能上都會存在手動、自動等多種工種方式切換。

本文采用觸摸屏、PLC和伺服驅(qū)動開發(fā)控制系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)了開發(fā)設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了以上數(shù)控加工常用功能。控制系統(tǒng)成功在一批平面軸磨床、內(nèi)圓磨床應(yīng)用，加工零件尺寸精度達(dá)正負(fù)0.003μm，滿足加工要求，提高加工精度和生產(chǎn)效率，產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明了系統(tǒng)性能穩(wěn)定，性價(jià)比高，在精密加工設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)上有很強(qiáng)的實(shí)用性、示范性。