高精度內圓磨床主要用于汽車液壓挺桿類零件的中小孔內圓磨削加工，工件孔磨削直徑10~20 mm，長度0~40 mm，圓度1μm，圓柱度1.5μm，加工孔尺寸精度10μm，表面粗糙度0.16μm。磨削工序分粗磨和精磨，精磨時為了消除進給間隙、磨削力及熱變形的影響，徑向進給采用微量磨削進給和退刀相結合的進給路線：如進給0.02 mm，退刀0．02 mm，再進給O．04mm，退刀o．02 mm，然后再進給采用精光磨的方法。位置控制精度要達到0．003 mm，因此，控制系統設計要保證進刀量和進給速度可調。而對于軸向進給要保證軸向往復行程0.2~20 mm，速率每分鐘60~120次，無級可調。

1 對控制系統的要求

　　精密內圓磨床要求數控系統的工作方式：手動調整、磨削自動循環、單次砂輪修整、多次砂輪修整和新砂輪修整。本文主要針對磨削自動循環方式分析。

　　磨削自動循環的循環條件：磨頭變頻器啟動、大滑板后位、主軸靜壓壓力到、靜壓壓差在范圍內、無車頭電動機報警、卡盤鎖緊、小滑板前位。

　　動作要求：循環開始→縱滑板前進、工件冷卻啟動→大滑板前位→往復電動機啟動、冷卻電動機啟動、伺服驅動進給開始→按預定工藝路線運動→進給結束_進給系統復位→縱滑板后退→到達后位→工件冷卻停止、往復電動機在往復到達后位時斷電，往復剎車得電→修整器推出→停止往復剎車、停止循環指示→循環結束。在裝卸完工件后開始下一個循環。

　　停止控制：循環過程中按“循環中斷”按鈕、磨頭停止按鈕或出現車頭電動機熱保護，進給系統快速復位，則所有動作解除，各輸出斷電，屏幕保持不變，“循環中斷”閃爍提示，可查故障原因。如按返回按鈕，則返回主菜單。循環進行中按“返回主菜單”按鈕無效。

2 控制方案選擇和控制系統結構

　　實現高精度內圓磨床的進給控制，有兩種高可靠性的數控方案：一是采用標準數控系統產品驅動伺服軸實現進給準確定位，該技術途徑只需要編寫PNIC軟件完成邏輯控制。該方案的優點是CNC核心軟件及操作界面已由數控系統開發商完成，但控制部分成本較高；二是以PLC產品為控制核心，擴展伺服定位單元驅動伺服軸，利用人機界面通過自行研發控制軟件實現磨床的數控功能，控制系統成本約降低1萬元。兩種方案均有高的抗干擾能力、低的故障率和同樣的精度。針對本次磨床控制要求，選擇了“PLC+I／O單元+觸摸屏+伺服單元+伺服系統”的控制方案。

圖1 內圓磨床控制系統結構圖

　　圖1為內圓磨床的控制系統結構圖。PLC采用三菱FX2N-32MR，并適當擴展I／O接口。伺服單元使用FX2N-10GM定位模塊，配合高精度、高定位分辨率的三菱MR—J2S一60A伺服驅動器和HC—SFS—52中慣量伺服電動機，完成徑向進給定位控制。操作監視界面使用三菱970GOT工業級人機界面。磨削主軸由中頻變頻器驅動，變頻器與PLC之間的連接信號類型為開關量。在控制系統硬件構建的基礎上，通過內部操作變量的合理規劃、觸摸式工作界面的人性化設計以及PLC控制軟件的合理開發，可以完成高精度內圓磨床的數控系統設計。

3 外部和內部變量規劃

　　連接到PLC的外部變量有：X0，大滑板前移；X1，24 V電壓監視；X2，推出到位等18個輸入信號；均，縱滑板前進、后退電磁閥；Y1，松開卡盤電磁閥等18個輸出信號。連接到定位單元的外部輸入信號有：歸零開關、正向硬超程極限開關和負向硬超程極限開關。

　　由于人機界面、PLC主機、伺服單元中各部分的內部變量在運行中是有機聯系、互相取用的，因此只有合理規劃內部變量，才能使得控制系統的各部分在運行中均能正確識別變量，實現程序的協調運行。對內部主要變量所作的規劃和分類如下：

　　(1)D變量：從D201～D459共使用了259個16位的內部數據寄存器。例如：

　　D204、D205 x軸當前位置值　　D203、D204 機械零點位置數值　　D201、D202 歸零速度　　D210、D211 X軸當前目標位置　　D212、D213 當前進給速度　　D214、D215 當前補償量　　D220、D221 磨削循環第1段進給位置值　　D222、D223 磨削循環第2段進給位置值　　D240、D241 磨削循環第1段進給速度值　　D242、D243 磨削循環第2段進給速度值　　D260、D261 磨削循環第1段位置補償量　　D262、D263 磨削循環第2段位置補償量

　　(2)定時器：從TD—T28共使用29個，如：T6初始化寫參數定時器；T1磨削自動循環結束定時器；T10磨削進給定時器；T1 l磨削回原位定時器等。

　　(3)計數器變量：從C101一C108共使用8個。例如：C106為磨削次數計數。

　　(4)位變量M：從M0～M501共使用了400多個。例如：M71-M77分別為磨削自動循環第一段至第七段的狀態變量，M70為磨削循環條件，等等。

4 磨削自動循環控制界面

　　在磨削循環進行過程中，從觸摸屏可以監控循環條件、循環進程、動作狀態、x軸當前位置、進給量與進給速度。當不滿足循環條件啟動時，左上方會提示“循環條件不滿足”；而在循環進行中，畫面上會出現“循環中斷”按鈕以便于操作人員隨時中斷該循環。

　　為了操作人員更方便地預置磨削加工參數，設計數控磨床的參數設置菜單，在此菜單上可以預置各加工階段的進給量、進給速度和進給補償量，還可以預置加工次數或定時時間。

5 磨削自動循環的程序結構

　　作為磨床完整自動程序中的一個子程序，磨削自動循環按工藝要求被分為7個執行階段：縱滑板前進段M71、多次進給磨削段M72、進給系統回原位段M73、回原位定時段M74、縱滑板后退段M75、往復運動剎車段M76和結束段M77。子程序結構采用分步互鎖的邏輯結構，圖4為略去主控、復位條件和各階段輸出控制后的程序結構示意圖。

圖4磨削自動循環子程序結構示意圖

　　當半自動條件M70滿足時，如果按下循環起動按鈕，則進入磨削自動循環的第1階段M71，用第2階段及以后各段可解除第1段程序。在縱滑板前進段M71，如果縱滑板前進到位，則進入第2階段M72，用第3階段及以后各段可解除第2段程序。第2段為磨削加工的主要階段，操作人員可利用計數器C106預置進給次數(≤10次)，當C106實際計夠加工次數，且最后一次徑向進給到位時，進入磨削循環第3段M73；到達原位后，執行磨削第4階段的回原位定時，定時到后進入第5段“砂輪往復剎車”，當剎車到位，執行磨削第6段“縱滑板后退”；當后退到位時磨削自動循環執行結束，用T1定時器提供0.1 s左右時間的結束時間，以處理PLC、觸摸屏、伺服單元的狀態復位信息。

6 伺服單元的內部變量及進給程序結構

　　伺服定位單元FX2N一10GM被連接到PLC之后，其定位數據、定位命令和當前執行狀態均可以通過與PLC的通信，利用PLC的FROM、TO指令進行置數或讀取，并借助于觸摸屏監控。

　　6.1 伺服單元的內部變量

　　(1)用于伺服單元設置參數的特殊數據寄存器。如D9202(低16位)、D9203(高16位)為伺服單元參數1，需要寫入電動機每轉的脈沖數；D9204、D9205為伺服單元參數2，應寫入伺服電動機每轉的位移；D9226、D9227為伺服單元參數13，應寫入歸零速度；D9232、D9233為伺服單元參數16，應寫入機械零點的位置等等。用于伺服單元定位程序的特殊數據寄存器：如本伺服單元的進給程序以D1200為入口地址(表格號20)，則第l句數控程序G90應被寫入D1200；第2句為位置補償程序G73，需要在D1210中寫入73，同時將PLC中的位置補償量D214寫入D1212；第3句為直線插補程序G00，需要在D1220中寫入00，同時將PLC中的進給目標位置D210寫入D1222，將進給速度D212寫入D1224等等。在PLC初始化程序中，這些參數根據工藝要求被寫人伺服單元，程序格式如圖3所示。

圖3伺服單元的參數設置程序

　　(2)用于伺服單元運動執行狀態的特殊數據寄存器。如D9004、D9005為伺服單元當前位置數值，可通過PLC程序讀入PLC的數據存儲器D204、D205，并在觸摸屏上實時顯示出來。程序格式“DFROM K0K9004 D204 K2”。

　　(3)用于接受外部寫操作的特殊輔助繼電器。如M9001是定位開始命令寫入位；M9002是定位停止命令寫入位；M9004為機械回零命令寫入位；M9007是復位命令寫入位等。從M9000一M9015在伺服單元內部被分配為#20緩沖存儲器，PLC程序中通過指令“TOK0 K20 K2M400 K1”將定位命令從PLC傳人定位單元。PLC的變量M401、M402分別為定位起動和定位停止位。

　　(4)伺服單元中可供讀取的特殊輔助繼電器。如M9048是定位單元就緒標志；M9049是定位結束標志；M9057是歸零結束標志等。從M9048～M9063在伺服單元內部被分配為#23緩沖存儲器，程序中通過指令“FROM KO K23 K4 M420 K1”將定位執行狀態從定位單元傳遞給PLC。該指令決定了PLC的變量M421可以收到定位結束信號。

　　6.2 徑向進給控制程序結構

　　需要自動磨削加工時，用戶可以在觸摸屏上預置所需要的磨削次數n以及各段的進給位置、進給速度、進給補償量等，然后按下循環起動按鈕，開始從M71～M76的磨削自動循環。M72多次進給磨削是自動循環中最復雜的執行階段，需要PLC與伺服驅動單元的緊密配合，該段控制程序結構如圖4所示。

圖4多次進給厝削控制程序結構

　　　自動循環的初試值C106=0，比較語句會置M62為1，這時觸摸屏上的第1次進給位置、速度和補償量(PLC的D220、D240、D260)會被作為當前執行目標、速度和補償量送入PLC的D210～D215數據區。在磨削進給一次后，C106=l(加1計數程序略)，比較語句會置M65為1，這時觸摸屏上的第2次進給位置、速度和補償量會被送人PLC的D210一D215數據區，作為新的當前目標、速度、補償量。每次進給的磨削準備時間T10約0.1 s，定時到置位M401立即起動進給動作，當進給結束時伺服單元會發出定位結束信號。

7 結語

　　以PLC控制為核心的，利用伺服定位模塊和高編碼分辨率(131 072脈沖／r)的伺服系統，實現數字化的高精度磨床電氣控制。顯示方式采用觸摸式操作界面，通過自主定義PLC一伺服定位系統一觸摸屏的內部變量，合理規劃和調用數據，完成了精密磨床控制軟件開發與現場調試。經過多家機床用戶檢驗，達到預期加工精度。