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1 引言
磨床属于金属工件表面精密加工机床。磨床基本原理是用砂轮或油石（刃具）对零件表面做浅深度微量切削加工。磨削时的切削深度很小，在一次行程中所能切除的金属层很薄。磨具旋转为主运动，工件或磨具的移动为进给运动。磨床加工精度高、表面粗糙度Ra值小。磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值。磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁和有色金属等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料如陶瓷与硬质合金等。
数控磨沟机属于磨床的一种，主要用于磨制丝锥钻头等硬质合金工具排屑槽，属于比较冷僻的专用机械加工设备，用量不大，生产厂家也比较少，以进口设备为主。由于数控磨沟机对控制系统的要求较高，难度也比较大，本项目研发几乎用到了艾默生CT EC20H型高速运动控制专用PLC的全部重要功能。数控磨沟机外形参见图1。
图1 数控磨沟机
2 数控磨沟机概念设计
2.1 系统需求分析
（1）工件进给分度控制。当加工工件进给时，分度轴旋转分度主要有两个工艺要求，一是在加工过程中不允许改变分度方向，只能单向旋转用以消除机械设备的反线误差；二是分度加工时对沟槽加工的顺序有特殊要求，而且刃数为偶数或奇数还有所不同。
偶数以一个8个刃数的铣刀为例，每个沟槽的加工顺序是1，5，2，6，3，7，4，8。即刃加工完成后，刃的起刀点与下一刃起刀点角度差为A，下一刃加工完成后这一刃的起刀点与后一刃的起刀点角度差为B，以此类推直到加工到后一刃完成，如图2所示。
图2 偶数分度
奇数以一个5个刃数的铣刀为例，每个沟槽的加工顺序是1，3，5，2，4，如图3所示。
图3 奇数分度
（2）砂轮渐增量进给控制。工件在加工过程中，沟槽深度是逐渐变浅的一个过程。渐增量是指工件送进100mm时，砂轮提升的高度，如图4所示。
图4 砂轮渐增量
（3）砂轮修整补偿控制。砂轮修整是因加工工艺的需求，而将砂轮的横截面修整成所需要的形状，常用砂轮载面形状，有两直线一圆弧，一直线两圆弧，三圆弧，如图5所示。
图5 砂轮载面形状
2.2 系统功能设计
（1）产品加工功能：送料轴用于控制产品的进给，旋转轴通过直线插补功能，实现与送料轴的同步旋转，用以生产出固定螺距和导程角的产品，砂轮进给轴通过电子齿轮功能，实现与进料轴固定比例的提升。
（2）修整砂轮功能：为了提高产品质量，不同的用户会将砂轮修整成不同的截面形状，该功能通过Y轴与Z轴的直线或圆弧插补实现该功能。
2.3 系统概念设计
按自动化程度可分为三种机电组合自动化方案。
（1）纯液压控制型：PLC仅提供逻辑控制，产品的制作和砂轮的修整完全靠液压和机械进行。
（2）普通PLC+液压控制：PLC控制一个旋转轴(A轴)实现工件的分度功能，工件的进给和磨削等功能靠液压及机械完成。
（3）NC（数控加工中心）系统：例如采用三菱的NC E60系统，控制三个轴(X+Y+A)实现产品的制作，主要实现了工件的进给和工件分度功能，砂轮的修整完全靠液压系统完成，是目前自动化程度较高的解决方案之一。
3 艾默生CT EC20H解决方案
3.1 原理设计
本项目应用艾默生CT EC20H型高速运动控制专用PLC实现X+Y+Z+A轴全轴伺服控制，实现的功能高于数控加工中心。项目增加了砂轮的修整和砂轮磨损补偿功能，也是该项目中难度大的部分。基于艾默生CT EC20H型PLC解决方案的系统原理如图6所示。
图6 艾默生CT PLC全轴伺服系统框图
3.2 电控系统设计
电控系统配置如图7所示：触摸屏HMI用于参数设定、设备状态显示等功能。伺服用于工作进给轴、旋转轴、砂轮进给轴、磨头轴的控制。永磁无刷电机用于控制磨头的转动。普通电机用于控制砂轮的转动。
图7 电控系统
3.3 EC20H伺服控制设计
（1）各轴的单独控制：实现X、Y、Z、A各轴的手动控制功能，可以让用户单独控制各轴的运行。主要是用于对刀，手动调试等功能，使用DRVI指令实现该功能。
（2）插补功能：X轴与A轴：线性插补，用于实现产品的螺距和导程角度；螺距和导程角度是加工产品的两个重要技术参数，通过X轴与A轴的线性插补实现该功能。X轴以一定的速度前进，A轴通过涡轮涡杆实现工件的旋转，以一定的角速度旋转，这样就可实现工件按所设定的螺距和导程角度进行运行。通过LIN指令实现该功能。
（3）X轴与Y轴：电子齿轮，用于实现磨沟深度的递减，在磨削过程中，磨沟深度是与进料长度成线性递减的；通过GEARBOX指令实现该功能。
（4）Y轴与Z轴：线性及圆弧插补，根据用户的要求，可以实现修整出不同截面形状的砂轮；首先通过AUTOCAD导入该截面形状，然后将对应的坐标用D元件替代，以便用户可以通过触摸屏进行设定。主要用到LIN和CCW指令。
（5）原点回归：该设备在初始上电时，要进行圆点回归，以实现设备开始运行时都会在一个同样的初始状态。同时，所有的坐标归零。使用DSZR指令实现该功能。
3） 系统主要构成：
触摸屏 : TP 采用 加拿大 TouchWin 公司 TP 系列触摸屏，它负责处理现场与运行操作有关的人机界面，使操作员通过触摸屏实时了解现场运行状态，各种生产数据的当前值以及是否有故障报警发生，并可对工艺生产过程进行控制和调节 , 触摸屏本身具有 “ 配方 ” 功能，通过其内部的宏指令可以将不同产品的不同工艺配方存储在其中，随时调用，大大节提高工作效率 , 它可以与近 30 个厂家的 PLC 通讯，兼容性极强，而且还可以和计算机通讯（开放式通讯协议），基于 bbbbbbs98/2000/XP 操作平台下的专用组态软件，界面友好直观，易学易用，大大节省产品开发周期。具有 RS232/422/485 通讯口，方便于连接其它厂家的 PLC 及外设产品（如：条形码、存储卡、变频器、个人计算机等）。触摸屏上的并行口还可以直接和打印机连接实时或定时打印当前或历史数据。在编程软件中选择好触摸屏和 PLC 型号后，在其系统设定中选择 PLC 型号，通讯的波特率为 38400bps ；奇偶校验为奇校验；数据长度 8 位；停止位 1 位；通讯方式 RS-232 。
……PLC 可采用 XINJE 或西门子、欧姆龙等系列产品
…… 打印机 可采用 HP 或其他品牌的针式打印机和喷墨打印机
……TP 软件 采用 TP 专用的制作软件 TPsoft 编程软件中备有大量的图形库（开关、灯、棒图等）供选择，还可以根据用户需求编辑所需要的工艺图形，能够转换 BMP 文件和 AUTOCAD 中的 DXF 文件。还具有留言板功能用于交接班记录用。在编程软件中可以设定触摸屏背光灯的关闭时间，节省其使用寿命。触摸屏中具有内部编程指令 —— 宏命令，可以减轻 PLC 的编程负担，甚至有些简单的设备中可以取代 PLC ，由触摸屏编程直接和其它设备通讯
……PLC 编程软件 采用的是 XINJE 的 FC 编程软件，用它完成整个程序的编制、调试。
…… 监视摄像头
…… 软起动器
4） TP+PLC 控制系统参数：
（1）A/D 转换 :1-16 路通道
（2） I/O 模块 : 采用 DC 输入输出 , 光电和机械隔离
（3） 配料精度 :
水泥 粉状 水剂 :±1%
砂石骨料 :±2% 5） 触摸屏和 PLC 控制系统的主要功能：
（1） 整个控制过程处于中文系统下工作 , 管理完全汉化
（2） 实现配料 , 下料 , 拌和 , 出砼自动控制
（3） 拌和时间 , 下料顺序随即可调
（4） 配料 , 下料 , 拌和动态模拟显示
（5） 系统自动校称
（6） 配方可达 200 余种
（7）I/O 状态自动检测
（8） 自动生成数据库 , 生产流程图 , 报警系统图 , 参数报表 , 历史查询 , 报表制作和打印
四 . 下面以某电站 2× 1m3 搅拌楼为例介绍各方面的制作
1） 系统组成：
…… 触摸屏选用 TFT 液晶显示器
…… 可编程序控制器选用信捷 FC-32R-E
…… 打印机选用 EPSON
2） 附属设备：
…… 强电柜一台，主要为各种动力设备提供电源、及各控制电源
…… 操作台一台
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……PLC 及放大器柜
…… 上料皮带控制箱
…… 传感器 10 套
…… 其他低压电器
3） 触摸屏画面的制作采用 TouchWin 编辑工具软件完成。各画面画面包括各控制菜单及视频窗口，首页可由相关单位编写广告画面欢迎词或系统机型说明。本系统主要包含以下几项：
在主菜单画面中设计了 9 个画面选择开关 , 用于打开 9 个不同功能的画面 , 画面分布 :
a） 流程控制 : 在生产过程中切换到此画面 , 用于生产流程监控和控制
b） 重量设定 : 主要是用于配方设定和修改
c） 时间设定 : 主要是用于搅拌机搅拌时间设定 , 配料抖动时间及提前量设定，下料顺序时间参数设定
d） 主控画面：在进行系统校验时用于主控系统运算的基本参数，这也是程序运算的核心，因此为了防止误修改在标定画面中加入了权限功能
e） 状态监控：真实反映现场的 I/O 状态，利于故障的检查和排除
f） 配方：用于存储配方和调用配方，在此系统中设计了 20 个配方
g） 数据列表：在生产过程中随时记录每一循环的称量数据，便于汇总查询和打印
h） 打印：根据数据报表的内容控制打印机，在本系统中采用的时针式打印机
i） 资料管理：主要是操作使用说明以及相关的接线信息
下面列举本系统几个主要画面：
在设计各画面控件时，首先在画面框中画出所需要的控件，然后进行大小比例调整，上色，接下来进行属性连接，画面上的控件属性数据全部由下位机 PLC 提供，所以 TP 画面制作起来非常方便快捷，在实际运行过程中，若需在 TP 画面中增加新的内容，如开关、菜单选择等，只需在设计软件中增加相应的项目传送至 TP 即可。
在 TP 和 PLC 进行通讯和调试参数前，需特别注意以下几点：
a） 选择直接传送方式：选择直接通讯方式 （ 选择 PLC 类型及对应 I/O 地址 ）, 该方式下 ,TP 直接读取或改写 PLC 的数据寄存器和继电器内容 , 这样可以大大减轻 PLC 用户程序的负担 .
b） 系统数据区：当选择直接传送方式时 ,TP 内部寄存器首地址开始的数个数据寄存器被规定为系统数据区 , 系统数据完成画面切换等动作 ,TP 和 PLC 内部占用特定的寄存器区 , 完成各种功能．系统数据区是 TP 与 PLC 交换数据的媒体 ,TP 初始化时 , 需确定 PLC 系统数据区的的起始定义号．
6）PLC 的程序分三部分设计：传感器模拟量数据采集及处理、逻辑控制部分、报表处理部分。在实际应用中，可根据需要随时增加 PLC 的功能，如：搅拌楼（站）附属设备的控制，皮带系统和水泥、煤灰脉冲系统等． PLC 实时采集传感称量值和输入信号 , 经逻辑运算后 , 由输出模块控制称量斗、搅拌机、螺旋输送机的启停以及报警等。程序设计思想和步骤 :a） 首先要全面了解被控制对象的机构、运行过程等，并明确动作逻辑关系； b） 根据系统功能要求（包括输入、输出信号数量的多少、性质、参数；选择 PLC 型号及各种附加配置，并有规则、有目的的分配输入、输出点； 根据控制及流程要求，对应输入、输出开发相应应用程序； c ）同时连接 PLC 与外部设备连线 , 将编制完成的程序写入 PLC 中，模拟工况运行，进行调试及修改； d） 在模拟调试成功后，接入现场实际控制系统中进行再次调试，直至完全通过为止 . FC 系列编程工具是 bbbbbbS 环境下的 PLC 编程软件 , 利用本软件可以进行程序设计，编程实现，编写注释说明文档和维护控制应用系统 , 它可以用两种方式编程即梯形图编程和命令语编程 , 见下图：
料皮带由于在配料过程中频繁起动，所以在这里采用的是软起动器。其目的主要是保护电机和机械，另一方面是防止因频繁起动引起的电网电压冲击。
五．结束语
本系统由于采用目前占有量较高，技术成熟的加拿大 TouchWin 公司的人机界面及 FC 系统可编程控制器，既使生产过程中 PLC 控制系统硬件发生故障，也可以立即查明原因更换相应器件，大限度的缩小在线维修时间 , 另外在这种配置中，当 TP 因在运行中出现意外故障，无法显示和监控时， PLC 能单独完成一系列的工作，互不受影响，这样是防止当人机界面出现问题时，带来系统控制失灵。在系统界面设计过程中，比较多的考虑了用户的实际需求，界面操作简洁，明了。当生产过程硬件状态发生变化时，勿需修改软件，仅需在线进行简单参数设定既可，系统维护性强。
