基于PLC和觸摸屏的平面磨床控制系統開發

高峰，王清標，譚璀璨

（1.湖南大學現代工程訓練中心，長沙 410082；2.湖南大學國家高效磨削工程技術中心，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、磨削材料、及磨床結構的發展，高速高效磨削已成為當前主要磨削加工方式。隨著制造業的發展，對零件加工工藝提出了新的要求，磨削加工的應用范圍已從精加工逐步擴大到粗加工領域。目前在硬質合金加工及其他一些難磨材料加工中小型企業，尤其是民營企業中，仍存在大量效率低下手動液壓控制的磨床。隨著磨床應用范圍擴大，人力成本的提高，已嚴重影響到產品精度及生產效率，對其進行自動化升級改造提出了迫切需求。

國內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，在線測量，機床的數控系統主要采用西門子840DSL、發那科0i和華中數控系統。平面、內圓磨削加工，特點是零件對表面質量及尺寸精度要求高，不涉及曲線插補和算法，零件多型號、多規格。此類磨削加工相對于車、銑、加工中心市場容量小，應用場景多樣化。采用標準數控系統，因其人機接口、功能定制、功能擴展方面開放性不夠，難以適應個性化需求。國內外應用PLC和觸摸屏作控制系統在自動化領域研究實踐很多，但在精密設備磨床應用鮮有提及。

基于以上的研究分析，采用觸摸屏、PLC和伺服系統開發磨床程序控制系統[1]，通過PLC編程、觸摸屏畫面設計，實現數控加工是一種性價比高的方案，解決中低端加工設備快速實現數控化過程中對操作簡單、個性化功能需求以及功能擴展的問題。因采用PLC，對組網，數據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的硬件構成和程序設計思路。

1 平面磨床工作原理

臥軸的矩臺平面磨床結構如圖1所示。床身用于安裝立柱、工作臺、液壓系統等；砂輪安裝在砂輪架上，由電動機帶動高速旋轉；滑座用于安裝砂輪架；工作臺由液壓驅動，液壓系統由油泵、油缸、電磁閥、壓力表、壓力繼電器等構成；矩形磁臺安裝在工作臺上。

圖1 臥軸的矩臺平面磨床結構示意圖

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，工作臺作縱向往復運動，砂輪架沿滑座的燕尾導軌作橫向間歇進給運動，滑座可沿立柱的導軌作垂直間歇進給運動，用砂輪周邊磨削工件。

2 平面磨床控制系統硬件設計

平面磨床控制系統硬件組成主要包括觸摸屏、PLC、交流伺服驅動器、電子手輪、光柵尺、伺服電機。機床還包括靜壓液壓電機、水泵電機、電磁閥等用于工作環境建立的部件。以PLC為中央處理器，觸摸屏為人機對話接口，PLC控制橫向進給Z軸和砂輪架垂直進給Y軸，構成控制系統[2-6]。觸摸屏與PLC之間數據實時交互，用戶通過觸摸屏寫入加工工藝參數至PLC中相應的數據寄器，當PLC接收到控制指令時調用相關數據計算處理，執行相應加工程序，更新數據，完成自動磨削加工。控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 平面磨床控制系統結構

2.1 觸摸屏

工業觸摸屏在工業自動化領域廣泛應用，性能穩定，操作編程方便，是人機接口重要部件，系統采用臺達7寸觸摸屏，型號DOP-BO7S411，人機界面通過臺達觸摸屏編程軟件：DOPSoft 4.00.10編輯設計。數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）是自動化控制領域核心部件，各種數控系統一般內嵌PLC控制單元或類似于PLC控制器。PLC應用深入各行各業，性能成熟穩定，許多獨立小型PLC已具備豐富的運算和控制指令，可完成很多復雜運動控制，且成本比較低。

系統采用臺達高性能晶體管輸出PLC：DVP40EH00T3，該型號PLC具有：4軸200 kHz高速脈沖輸出，支持4組200 kHz硬件高速計數器，32位元CPU+ASIC雙處理器，支持浮點運算，基本指令最快執行速度達0.24 μs。控制器簡易連網功能PLC Link功能可架構最多32臺的連線網絡。程序容量30 K步，數據寄存器12 K，性能完全滿足應用需求，方便擴展工業互聯網。

控制系統綜合外部I/O開關量數量、高速脈沖輸入輸出及程序編輯規模，選用了40點輸入輸出晶體管型高功能標準型控制器PLC，如需增加外圍設備可擴展I/O接口和模擬量接口。

2.3 伺服驅動和伺服電機

伺服驅動器選用臺達標準泛用型，型號為ASDAB2-1021。橫向進給Z伺服電機選用ECMA＿G31309SR。Y軸為垂直軸，驅動電機選用帶有剎車的驅動電機型號ECMA＿G31309SS。驅動器利用精密的回授控制及結合高速運算能力的數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP），控制IGBT產生精確的電流輸出，用來驅動三相永磁式同步交流伺服電機達到精準定位，具有良好的性能。

2.4 電子手輪和光柵尺

在精密加工設備中，為了方便零件件對刀，及手動微進給，調試產品，往往會配置電子手輪。控制系統中選用AB相24V，每轉100個脈沖的手揺脈沖發生器。手輪接入PLC硬件高速計數輸入端子X0、X1，系統選用型號：SF-PMG4-EC-2。

光柵尺安裝在垂直Y軸上，用于Y軸位置反饋實時反饋，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一個脈沖。光柵尺接入PLC高速計數輸入端X4、X5輸入端子，設定啟用X4、X5為高速計數用功能，實現垂直軸高精度全閉環控制。

3 控制系統的程序設計

控制系統的程序設計包含觸摸屏程序設計和PLC控制程序編制。

3.1 用戶操作界面設計

采用二級菜單方式設計，界面由主畫面、參數設置、手動控制、IO監控、報警5個畫面構成，總體設計框圖如圖3所示。主界面實現各軸坐標顯示、功能部件、磨削相關工藝參數、工作方式選擇等監控狀態[7]。如圖4所示。加工參數界面（圖5）是操作人員主要使用的界面，設有加工過程的工藝參數，參數設有權限保護，操作人員只需修改常用磨削參數如粗磨量、精磨量、光磨次數及進刀速度等工藝參數，即可投入生產。手動控制界面用于零件加工時手動移動伺服軸，用于對刀、測量和維修。I/O監控及報警用于對機床的各開關量信號的監控及當有報警輸出時形成報警履歷，方便維修技術人員診斷故障。畫面數據與PLC程序設計悉悉相關，畫面各類控件數據與PLC數據寄存器實時交換數據，設置權限保護、數據有效性檢查，有效的防止了誤操作。觸摸屏操作方便、畫面及擴展功能強，修改變更方便，適合于個性化開發需求。

圖3 畫面設計框圖

圖4 主界面

圖5 參數設置界面

3.2 PLC程序設計

控制系統的設計關鍵點在于PLC程序的編制，經過對機床設備類的控制需求進行研究分析，程序的不同功能分塊設計，系統控制按功能塊的程序結構如圖6所示。

圖6 程序結構框圖

臺達ISPSoft3.05版PLC編程軟件很好地滿足了程序分塊設計需求，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。硬質合金加工中，因材料硬度高，存在個別零件表面差異，偶爾會有積刀現象出現，為此在自動加工子程序中設置暫停功能。加工暫停時為了實現手動介入加工，實現微進給、微調整功能，設置在暫停條件下開放電子手輪功能，同時為了方便觀察坐標變化，設置坐標清零按鍵功能，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參數設定、通訊參數設定、變量定義及初始化、特殊寄存器設定參數。如硬件高速計數器HHSC0與HHSC1相關參數設定，設定AB相脈沖計數4倍頻；利用PLC第一次循環掃描周期執行特殊輔助繼電器M1002脈沖，用DMOV指令將數值4賦值給特珠數據寄存器D1225、1226完成功能設定。

機床控制子程序完成工作環境建立，如：液壓電機、砂輪電機、磁臺上下磁，設備的功能互鎖，外部信號檢測功能。隨著磨床主軸系統的更新換代，主軸一般會升級為動靜壓主軸，同步增加了靜壓油箱、油箱冷卻機控制，主軸失壓、延時保護。PLC控制取代傳統電路，有效保證控制電路穩定運行。

手動控制、手輪和光柵處理子程序，自動加工子程序，最終處理目標都是控制伺服軸按程序設定移動，即通過相關子程序運算輸出脈沖至驅動器給，從而驅動電機旋轉。

手動控制，用于砂輪垂直伺服Y軸和橫向進給Z軸手動快速運行，取代手搖機械手輪。當按下軸移動按鍵時，程序通過DMOV指令賦值一個大于有效行程的脈沖數給一個自定義輔助寄存器D34，當條件滿足時，D34內數據傳送至自定義輸出寄存器D40輸出，通過伺服驅動控制程序輸出給伺服驅動，實現軸移動。

手輪進給子程序，手輪生效時，讀取高速計數器C251脈沖計數，通過程序轉換單個脈沖映射不同的輸出脈沖個數，同時改變脈沖輸出頻率來改變給速度，實現手輪移動伺服軸。具體編程是設計3檔進給量，X1、X10、X100，分別對應為手輪一格進給1 μm、0.01 mm、0.1 mm，同時給定相應的進給速度，當旋轉電子手輪時，程序實時賦值轉換后需要輸出的脈沖數至寄存器D34，滿足輸出條件，驅動控制程序按指定的脈沖頻率輸出D40內脈沖數至驅動器，從而電機運轉。

自動加工程序按零件磨削工藝流程編制，用戶只需通過參數設置畫面輸入工藝參數，從實現了參數化編程，操作簡單且不易出錯。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，是控制系統關鍵程序，伺服驅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：輸出個數，S2：脈沖輸出頻率，D1：脈沖輸出點，D2：脈沖輸出方向。

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

圖8 脈沖輸出程序

經對磨床的工藝研究，為了消除軸承、絲桿機械誤差，程序設置了反向間隙補嘗功能。程序實時判斷D34輔助寄存器的脈沖數正負值，預先獲取軸運行方向是否改變，條件成立設置反向補償標志位M400，程序先執行存儲在D500數據寄存器的反向間隙補償脈沖數，保持機床坐標不變，隨即清除反向標志位。PLC程序運算要輸出的脈沖數D34寄存器值會實時傳送至D40，執行完脈沖輸出后，D34、D40清零，D200、D202、D206為程序給定進給速度。

當伺服軸移動，軸的移動坐標數據實時更新，通過觸摸屏實時顯示軸的位置坐標[8-9]。Y軸坐標處理程序如圖9所示。

圖9 Y軸坐標程序

D1336是PLC特殊數據寄存器，用于存儲Y0輸出脈沖計數；D560機械坐標暫存器；D556坐標原點偏移；D100用于觸摸屏上Y軸坐標顯示的數據寄存器。

光柵尺為位置精密檢測傳感器，系統通過直線光柵尺構成軸的全閉環控制。使用光柵尺與機床機械性能相關，機械性能穩定，無爬行的情況下能取得較好的效果。其實現的原理是給定位置值與反饋位置比較，然后進行動態補償修正。

3.3 伺服驅動參數調整與優化

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

驅動器動態控制性能參數缺省值只適合一般情下的應用，磨床上的應用需要對伺服參數進行優化。在連接負載的真實加工條件下，利用臺達伺服調試軟件進行參數調節，通過伺服軟件自學習功能，反復多次執行優化功能，正確的設置電機慣量比p1-37，調節伺服剛度等級，通過在自動的優化的基礎上微調驅動器速度環增益p2-04、位置循環增益p2-00，減小速度積分時間p2-06，盡量提高工作頻率帶寬，當出現嘯叫時增加濾波抑制共振點，提高位置響應特性[12-15]。最終伺服參數結果應保證電機在嘯叫共振點以頻段下運行。

4 測試驗證與結果分析

控制系統測試分為程序功能測試和控制精度測試。

程序功能測試：空運行測試操作，經反復調試，輸入加工參數運算模擬加工運行，最終數據計算正確，軸坐標位置顯示準確，互鎖功能正常。手輪運行和軸快速移動，伺服跟蹤運行平穩無遲滯現象。

控制精度測試：通過千分表反復測定其各項精度指標，因加工零件尺寸精度依賴于的垂直Y軸精度，對其精度進行重點測試，其結檢查如表1所示。

表1 機床精度測試結果mm

結果證明，機床精度各項指標均高于國標，控制系統性能穩定。

5 結束語

觸摸屏加PLC控制的開放式控制系統因其操作靈活、精度高、擴展功能和二次開發功能強，越來越多的應用于自動化行業。在精度高，功能相對簡單數控加工領域也將會擴大應用。精密設備在制造和改造時，都需對其軸的坐標位置精確控制及顯示，一般都需配置手輪來微調整，伺服進行優化也是必不可少的環節，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和伺服驅動開發控制系統，復現了開發設計過程，實現了以上數控加工常用功能。控制系統成功在一批平面軸磨床、內圓磨床應用，加工零件尺寸精度達正負0.003μm，滿足加工要求，提高加工精度和生產效率，產生了很大的經濟效益。實踐證明了系統性能穩定，性價比高，在精密加工設備開發設計上有很強的實用性、示范性。