艾默生CT PLC在數(shù)控磨溝機(jī)中的應(yīng)用
1 引言
磨床屬于金屬工件表面精密加工機(jī)床。磨床基本原理是用砂輪或油石（刃具）對(duì)零件表面做淺深度微量切削加工。磨削時(shí)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(yùn)動(dòng)，工件或磨具的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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(jī)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(zhuān)用機(jī)械加工設(shè)備，用量不大，生產(chǎn)廠(chǎng)家也比較少，以進(jìn)口設(shè)備為主。由于數(shù)控磨溝機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，難度也比較大，本項(xiàng)目研發(fā)幾乎用到了艾默生CTEC20H型高速運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用PLC的全部重要功能。
2 數(shù)控磨溝機(jī)概念設(shè)計(jì)
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(shí)，分度軸旋轉(zhuǎn)分度主要有兩個(gè)工藝要求，一是在加工過(guò)程中不允許改變分度方向，只能單向旋轉(zhuǎn)用以消除機(jī)械設(shè)備的反線(xiàn)誤差；二是分度加工時(shí)對(duì)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(gè)8個(gè)刃數(shù)的銑刀為例，每個(gè)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(diǎn)與下一刃起刀點(diǎn)角度差為A，下一刃加工完成后這一刃的起刀點(diǎn)與后一刃的起刀點(diǎn)角度差為B，以此類(lèi)推直到加工到最后一刃完成。
奇數(shù)以一個(gè)5個(gè)刃數(shù)的銑刀為例，每個(gè)溝槽的加工順序是1，3，5，2，4。
（2）砂輪漸增量進(jìn)給控制。工件在加工過(guò)程中，溝槽深度是逐漸變淺的一個(gè)過(guò)程。漸增量是指工件送進(jìn)100mm時(shí)，砂輪提升的高度。
（3）砂輪修整補(bǔ)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(xiàn)一圓弧，一直線(xiàn)兩圓弧，三圓弧，如圖5所示。
2.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
（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(guò)直線(xiàn)插補(bǔ)功能，實(shí)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(guò)電子齒輪功能，實(shí)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(hù)會(huì)將砂輪修整成不同的截面形狀，該功能通過(guò)Y軸與Z軸的直線(xiàn)或圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)該功能。
2.3系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)
按自動(dòng)化程度可分為三種機(jī)電組合自動(dòng)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(jī)械進(jìn)行。
（2）普通PLC+液壓控制：PLC控制一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(A軸)實(shí)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(jī)械完成。
（3）NC（數(shù)控加工中心）系統(tǒng)：例如采用三菱的NCE60系統(tǒng)，控制三個(gè)軸(X+Y+A)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制作，主要實(shí)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(dòng)化程度較高的解決方案之一。
3 艾默生CTEC20H解決方案
3.1原理設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目應(yīng)用艾默生CTEC20H型高速運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用PLC實(shí)現(xiàn)X+Y+Z+A軸全軸伺服控制，實(shí)現(xiàn)的功能高于數(shù)控加工中心。項(xiàng)目增加了砂輪的修整和砂輪磨損補(bǔ)償功能，也是該項(xiàng)目中難度最大的部分。基于艾默生CTEC20H型PLC解決方案的系統(tǒng)原理。
3.2電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(wú)刷電機(jī)用于控制磨頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。普通電機(jī)用于控制砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.3EC20H伺服控制設(shè)計(jì)
（1）各軸的單獨(dú)控制：實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A各軸的手動(dòng)控制功能，可以讓用戶(hù)單獨(dú)控制各軸的運(yùn)行。主要是用于對(duì)刀，手動(dòng)調(diào)試等功能，使用DRVI指令實(shí)現(xiàn)該功能。
（2）插補(bǔ)功能：X軸與A軸：線(xiàn)性插補(bǔ)，用于實(shí)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(gè)重要技術(shù)參數(shù)，通過(guò)X軸與A軸的線(xiàn)性插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)該功能。X軸以一定的速度前進(jìn)，A軸通過(guò)渦輪渦桿實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，這樣就可實(shí)現(xiàn)工件按所設(shè)定的螺距和導(dǎo)程角度進(jìn)行運(yùn)行。
通過(guò)LIN指令實(shí)現(xiàn)該功能。
（3）X軸與Y軸：電子齒輪，用于實(shí)現(xiàn)磨溝深度的遞減，在磨削過(guò)程中，磨溝深度是與進(jìn)料長(zhǎng)度成線(xiàn)性遞減的；通過(guò)GEARBOX指令實(shí)現(xiàn)該功能。
（4）Y軸與Z軸：線(xiàn)性及圓弧插補(bǔ)，根據(jù)用戶(hù)的要求，可以實(shí)現(xiàn)修整出不同截面形狀
的砂輪；首先通過(guò)AUTOCAD導(dǎo)入該截面形狀，然后將對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)用D元件替代，以便用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。主要用到LIN和CCW指令。
（5）原點(diǎn)回歸：該設(shè)備在初始上電時(shí)，要進(jìn)行圓點(diǎn)回歸，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行時(shí)都會(huì)在一個(gè)同樣的初始狀態(tài)。同時(shí)，所有的坐標(biāo)歸零。使用DSZR指令實(shí)現(xiàn)該功能。
4 結(jié)束語(yǔ)
目前該項(xiàng)目的主要功能已經(jīng)實(shí)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(yùn)行控制型PLC所具有的優(yōu)異的技術(shù)特點(diǎn)。對(duì)于需要多軸插補(bǔ)功能的應(yīng)用場(chǎng)合，基于艾默生CTPLC的機(jī)電一體化系統(tǒng)集成產(chǎn)品將表現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
磨床屬于金屬工件表面精密加工機(jī)床。磨床基本原理是用砂輪或油石（刃具）對(duì)零件表面做淺深度微量切削加工。磨削時(shí)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(yùn)動(dòng)，工件或磨具的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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(jī)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(zhuān)用機(jī)械加工設(shè)備，用量不大，生產(chǎn)廠(chǎng)家也比較少，以進(jìn)口設(shè)備為主。由于數(shù)控磨溝機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求較高，難度也比較大，本項(xiàng)目研發(fā)幾乎用到了艾默生CTEC20H型高速運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用PLC的全部重要功能。
2 數(shù)控磨溝機(jī)概念設(shè)計(jì)
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(shí)，分度軸旋轉(zhuǎn)分度主要有兩個(gè)工藝要求，一是在加工過(guò)程中不允許改變分度方向，只能單向旋轉(zhuǎn)用以消除機(jī)械設(shè)備的反線(xiàn)誤差；二是分度加工時(shí)對(duì)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(gè)8個(gè)刃數(shù)的銑刀為例，每個(gè)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(diǎn)與下一刃起刀點(diǎn)角度差為A，下一刃加工完成后這一刃的起刀點(diǎn)與后一刃的起刀點(diǎn)角度差為B，以此類(lèi)推直到加工到最后一刃完成。
奇數(shù)以一個(gè)5個(gè)刃數(shù)的銑刀為例，每個(gè)溝槽的加工順序是1，3，5，2，4。
（2）砂輪漸增量進(jìn)給控制。工件在加工過(guò)程中，溝槽深度是逐漸變淺的一個(gè)過(guò)程。漸增量是指工件送進(jìn)100mm時(shí)，砂輪提升的高度。
（3）砂輪修整補(bǔ)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(xiàn)一圓弧，一直線(xiàn)兩圓弧，三圓弧，如圖5所示。
2.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
（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(guò)直線(xiàn)插補(bǔ)功能，實(shí)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(guò)電子齒輪功能，實(shí)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(hù)會(huì)將砂輪修整成不同的截面形狀，該功能通過(guò)Y軸與Z軸的直線(xiàn)或圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)該功能。
2.3系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)
按自動(dòng)化程度可分為三種機(jī)電組合自動(dòng)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(jī)械進(jìn)行。
（2）普通PLC+液壓控制：PLC控制一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(A軸)實(shí)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(jī)械完成。
（3）NC（數(shù)控加工中心）系統(tǒng)：例如采用三菱的NCE60系統(tǒng)，控制三個(gè)軸(X+Y+A)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的制作，主要實(shí)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(dòng)化程度較高的解決方案之一。
3 艾默生CTEC20H解決方案
3.1原理設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目應(yīng)用艾默生CTEC20H型高速運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用PLC實(shí)現(xiàn)X+Y+Z+A軸全軸伺服控制，實(shí)現(xiàn)的功能高于數(shù)控加工中心。項(xiàng)目增加了砂輪的修整和砂輪磨損補(bǔ)償功能，也是該項(xiàng)目中難度最大的部分。基于艾默生CTEC20H型PLC解決方案的系統(tǒng)原理。
3.2電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(wú)刷電機(jī)用于控制磨頭的轉(zhuǎn)動(dòng)。普通電機(jī)用于控制砂輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.3EC20H伺服控制設(shè)計(jì)
（1）各軸的單獨(dú)控制：實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、A各軸的手動(dòng)控制功能，可以讓用戶(hù)單獨(dú)控制各軸的運(yùn)行。主要是用于對(duì)刀，手動(dòng)調(diào)試等功能，使用DRVI指令實(shí)現(xiàn)該功能。
（2）插補(bǔ)功能：X軸與A軸：線(xiàn)性插補(bǔ)，用于實(shí)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(gè)重要技術(shù)參數(shù)，通過(guò)X軸與A軸的線(xiàn)性插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)該功能。X軸以一定的速度前進(jìn)，A軸通過(guò)渦輪渦桿實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，這樣就可實(shí)現(xiàn)工件按所設(shè)定的螺距和導(dǎo)程角度進(jìn)行運(yùn)行。
通過(guò)LIN指令實(shí)現(xiàn)該功能。
（3）X軸與Y軸：電子齒輪，用于實(shí)現(xiàn)磨溝深度的遞減，在磨削過(guò)程中，磨溝深度是與進(jìn)料長(zhǎng)度成線(xiàn)性遞減的；通過(guò)GEARBOX指令實(shí)現(xiàn)該功能。
（4）Y軸與Z軸：線(xiàn)性及圓弧插補(bǔ)，根據(jù)用戶(hù)的要求，可以實(shí)現(xiàn)修整出不同截面形狀
的砂輪；首先通過(guò)AUTOCAD導(dǎo)入該截面形狀，然后將對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)用D元件替代，以便用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)定。主要用到LIN和CCW指令。
（5）原點(diǎn)回歸：該設(shè)備在初始上電時(shí)，要進(jìn)行圓點(diǎn)回歸，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行時(shí)都會(huì)在一個(gè)同樣的初始狀態(tài)。同時(shí)，所有的坐標(biāo)歸零。使用DSZR指令實(shí)現(xiàn)該功能。
4 結(jié)束語(yǔ)
目前該項(xiàng)目的主要功能已經(jīng)實(shí)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(yùn)行控制型PLC所具有的優(yōu)異的技術(shù)特點(diǎn)。對(duì)于需要多軸插補(bǔ)功能的應(yīng)用場(chǎng)合，基于艾默生CTPLC的機(jī)電一體化系統(tǒng)集成產(chǎn)品將表現(xiàn)出強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
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