尹柏龍 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于變頻與PLC控制的車床主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹柏龍 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本研究所用數(shù)控為華中數(shù)控，設(shè)計(jì)了車床主軸模塊的控制系統(tǒng)，研究內(nèi)容有主軸控制方案的選定，可調(diào)速變頻系統(tǒng)的研究，PLC模塊主要優(yōu)化了控制邏輯，I/O模塊設(shè)計(jì)了開關(guān)量。設(shè)計(jì)完成后，做了PLC調(diào)試工作，根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)可知車床在加工平穩(wěn)性、可靠性以及響應(yīng)速度方面要優(yōu)于常規(guī)的車床。

車床 數(shù)控系統(tǒng) PLC 變頻

數(shù)控設(shè)備是技術(shù)集成度很高的產(chǎn)品，其囊括了機(jī)械制造、控制、系統(tǒng)集成、嵌入式、微機(jī)電等一系列先進(jìn)技術(shù)在內(nèi)。數(shù)控設(shè)備的制造水平在一定程度上可以代表工業(yè)發(fā)展水平。華中數(shù)控是國內(nèi)發(fā)展較好的數(shù)控系統(tǒng)方案提供商，這篇文章的研究內(nèi)容以C6140車床作為研究平臺(tái)，華中數(shù)控作為控制系統(tǒng)，通過變頻和PLC設(shè)計(jì)對(duì)車床主軸的控制模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 主軸控制設(shè)計(jì)方案

國外以西門子、FUNUC為代表的數(shù)控系統(tǒng)因其高精度和閉環(huán)設(shè)計(jì)，大多比較昂貴，而本文所研究的車床由于加工對(duì)象的特點(diǎn)，不需要閉環(huán)設(shè)計(jì)，又因?yàn)槌杀镜目剂?，選用了華中數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)面板、板卡、系統(tǒng)I/O、繼電模塊、外部輸入輸出等機(jī)床模塊都是自行安裝完成并調(diào)試。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，主軸的控制使用了半閉環(huán)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是兩方面，一是硬件方面的設(shè)計(jì)，二是軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)可以控制主軸的啟動(dòng)關(guān)閉、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)向、過載控制、異常警報(bào)等等；同時(shí)車刀安裝頭采用了可轉(zhuǎn)位設(shè)計(jì)以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。

2 主要硬件系統(tǒng)的選用

2.1 變頻模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及卡盤的選用

處于車床自動(dòng)控制的考慮，主軸的調(diào)速使用了變頻方式，系統(tǒng)則選用的半閉環(huán)設(shè)計(jì)。對(duì)C6140的實(shí)際加工工況進(jìn)行分析計(jì)算，選則了合適的變頻模塊，電機(jī)方面，根據(jù)扭矩和功率要求，采用的是三相電機(jī)，功率7.5千瓦，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速；同時(shí)根據(jù)實(shí)際加工的扭矩和轉(zhuǎn)速特點(diǎn)，選用的是無極調(diào)速，且可實(shí)現(xiàn)分檔變頻。主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是電機(jī)控制的，數(shù)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)主軸的變速、轉(zhuǎn)向變化、啟停等控制。夾緊裝置是三爪卡盤，PLC和系統(tǒng)控制卡盤的動(dòng)作，實(shí)際加工時(shí)抱死夾緊，加工完畢后松開工件。常用的卡盤通常具有自定心功能，可在卡盤的控制端口設(shè)計(jì)兩個(gè)開閉開關(guān)，以控制卡盤的動(dòng)作。

2.2 編碼器選用

螺紋的加工對(duì)機(jī)床的控制要求比較高，通常需要在電機(jī)上安裝編碼器，編碼器是和主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，是主軸運(yùn)動(dòng)和位置狀態(tài)的反饋模塊，可以感知電機(jī)的速度，位置和旋轉(zhuǎn)方向。螺紋的加工，以及絲杠的加工都要求當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀位剛好走單個(gè)導(dǎo)程的距離。由車床實(shí)際狀況可知，可加工的螺紋，最大導(dǎo)程不能超過24毫米，徑向單脈沖進(jìn)給量為0.01毫米，因此電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要2400脈沖。編碼器的輸出有兩個(gè)相位的信號(hào)，這兩個(gè)相的相位差是π/2，同時(shí)根據(jù)螺紋加工實(shí)際需求，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，編碼器要發(fā)出一零位的脈沖。根據(jù)上述分析，選用合適的編碼器，編碼器的I/O端和系統(tǒng)相應(yīng)的I/O對(duì)接。

3 主軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

3.1 變頻調(diào)速控制

變頻器使用的是三菱7.5千瓦變頻器，變頻器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻電機(jī)的控制進(jìn)而對(duì)主軸進(jìn)行調(diào)速。在加工條件理想的情況下，可以實(shí)現(xiàn)某范圍間的光滑調(diào)速。系統(tǒng)自帶的控制輸出端可以被我們利用，AUTO接口的模擬信號(hào)能夠用作變頻器的輸入信號(hào)，假若使用的是單一極性電平信號(hào)，則可以用開關(guān)的開閉來控制主軸的啟動(dòng)和關(guān)閉，以及正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。根據(jù)電路設(shè)計(jì)，主軸的信號(hào)電壓大小在負(fù)10伏到正10伏之間，最大電流為10毫安，假若使用雙極性電平信號(hào)，可用enable信號(hào)來控制主軸的開啟和關(guān)閉。編碼器的電源輸出是正5伏，如果采用TTL差分，波形采用方波，則能夠使信號(hào)的自穩(wěn)能力更好。編碼器允許的電流大小最大是200毫。

3.2 外部輸入輸出端口及PLC設(shè)計(jì)

基于變頻與的PLC控制車床，其控制系統(tǒng)，往往建立在機(jī)械一檔啟動(dòng)、機(jī)械二檔啟動(dòng)、主軸運(yùn)行允許，卡盤夾緊啟動(dòng)、卡盤松開啟動(dòng)、主軸速度到達(dá)一系列程序基礎(chǔ)之上，尤其是對(duì)于主軸過載的情況要格外特殊控制。在進(jìn)行控制的過程中，要分別注意夾緊、制動(dòng)、松開、一檔、二檔之間的關(guān)系，掌握車床進(jìn)展的不同程度變化。其中主軸的作用是非常重要的，對(duì)于整個(gè)車床的制動(dòng)可以起到非常重要的控制和約束作用，是整個(gè)車窗主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。

3.3 數(shù)控及變頻器控制

要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，需要注意對(duì)于中間繼電器的開關(guān)進(jìn)行控制的原則，尤其是管控?cái)?shù)控PLC的數(shù)據(jù)和變頻器的協(xié)調(diào)方式，都可以對(duì)于車床的數(shù)控設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的影響作用。

有關(guān)于主軸控制的序號(hào)，根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范，操作如下：

主軸的過載信號(hào)端A7、高速使能信號(hào)端A11、速度已達(dá)信號(hào)端A6、中速使能信號(hào)端A12、主軸驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)端A3、低速使能信號(hào)端A13、啟動(dòng)正轉(zhuǎn)信號(hào)端A8、取消制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)端A14、啟動(dòng)反轉(zhuǎn)信號(hào)端A9、控制主軸正轉(zhuǎn)的信號(hào)端B7、外部制動(dòng)信號(hào)端A10、控制反轉(zhuǎn)的信號(hào)端B8、主軸調(diào)速高速使能B9、高速使能信號(hào)端RH、中速使能B10、中速使能信號(hào)端RM、低速使能B11、低速使能信號(hào)端RL、控制停止的信號(hào)B12、變頻制動(dòng)信號(hào)端MRS、正轉(zhuǎn)使能信號(hào)端R740、過載異常警報(bào)信號(hào)端OL、反轉(zhuǎn)使能信號(hào)端STF、頻率已達(dá)信號(hào)端SU。

3.4 PLC及外部輸入輸出設(shè)計(jì)

常用的三極管有兩種類型，一種是NPN型的，一種是PNP型的，本研究在設(shè)計(jì)輸入輸出模塊時(shí)使用的是NPN型三極管。利用光耦合機(jī)制，輸入模塊設(shè)計(jì)參數(shù)為，擊穿電壓為2500伏，電源采用直流24伏，三極管通路電流在5-9毫安之間，漏電電流小，最大為0.1毫安，濾波耗時(shí)最大2毫安。輸出模塊設(shè)計(jì)參數(shù)為，擊穿電壓為2500毫安，電源也是直流24伏，電流輸出最大為100毫安。

接通輸入開關(guān)A，光敏開關(guān)形成通路，輸入信號(hào)經(jīng)由數(shù)控系統(tǒng)以及PLC相關(guān)端口進(jìn)入系統(tǒng)的運(yùn)算模塊，運(yùn)算模塊將輸入信號(hào)按照相應(yīng)算法進(jìn)行處理。

輸入信號(hào)被處理后，數(shù)控PLC輸出接口信號(hào)，當(dāng)這個(gè)接口信號(hào)電平為高電平時(shí)，第二個(gè)光敏開關(guān)形成通路，和輸出端B相連的繼電器KA通電，KA為常開開關(guān)，通電時(shí)閉合，然后控制變頻器的通路接通，這樣就可以對(duì)主軸的電機(jī)進(jìn)行操作。當(dāng)接口信號(hào)為低電平狀態(tài)時(shí)則不能實(shí)現(xiàn)控制。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在控制邏輯和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，需要對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)響應(yīng)及狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試。按照之前的PLC系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)計(jì)，當(dāng)某個(gè)接口或者某個(gè)參數(shù)被改變時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該能夠產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)動(dòng)作，根據(jù)這個(gè)邏輯，可以判斷電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。根據(jù)實(shí)際調(diào)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)作響應(yīng)與輸入狀態(tài)之間的關(guān)系復(fù)合設(shè)計(jì)要求，且可以在顯示面板看到相應(yīng)參數(shù)的變化，因此本研究電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是正確的。

5 結(jié)語

本研究以普通車床為平臺(tái)，以華中數(shù)控系統(tǒng)作為底層系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了主軸控制模塊的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)包括對(duì)電路及PLC模塊進(jìn)行了硬件層面的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)在軟件層面進(jìn)行了二次開發(fā)。設(shè)計(jì)完成后對(duì)整個(gè)更改后的系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，結(jié)果表明各項(xiàng)參數(shù)都是沒有問題的。本研究對(duì)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)提供了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

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