基于ＰＬＣ的數(shù)控機(jī)床電氣控制研究

陶建芬　劉孝忠

(張家港市金和開關(guān)有限公司,江蘇 張家港 215632)

摘要:主要對高精度PCB數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹,提出了電氣控制系統(tǒng)總體方案以及設(shè)計框架。并詳細(xì)介紹了高精度PCB數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和各功能模塊。系統(tǒng)采用SIMOTION D、變頻器、電機(jī)、光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了提高生產(chǎn)率而采用工件自動夾緊、機(jī)械手自動換刀、斷刀檢測等多種功能,實(shí)現(xiàn)機(jī)床監(jiān)控的自動化。

關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;電氣控制;可編程邏輯控制器;抗干擾

中圖分類號:TG659文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:16723198(2009)15028301

PCB數(shù)控鉆床是用于對PCB板進(jìn)行加工的一種機(jī)床,其本質(zhì)是通過對孔進(jìn)行平面定位來控制微孔加工鉆床。一般運(yùn)動執(zhí)行方式有兩種:一種是采用伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠作為運(yùn)動執(zhí)行部件,第二種是通過直線電機(jī)直接帶動工作臺運(yùn)動。新的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化的設(shè)計技術(shù),從機(jī)床的機(jī)械部分、控制系統(tǒng)的硬件和軟件方面進(jìn)行全新的設(shè)計?？梢詫?shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制,高可靠的狀態(tài)控制,高效率的加工方式以及友好的人機(jī)界面。

1電氣控制總體設(shè)計

1.1機(jī)械設(shè)計

總體布局采用X、Y軸分立式結(jié)構(gòu),裝配簡單,兩方向運(yùn)動質(zhì)量基本相同。X、Y軸的電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),通過螺母副帶動工作臺在X、Y方向上移動。Z軸結(jié)構(gòu)對于高速鉆孔極其重要,設(shè)計和制造嚴(yán)格保證驅(qū)動電機(jī)主軸和鉆孔主軸共線。采用上端固定下端懸臂絲杠結(jié)構(gòu),采用彈性聯(lián)軸器。滾珠絲杠和導(dǎo)軌采用國際知名品牌。機(jī)床底座,橫梁,工作臺采用全花崗石,保證高精度穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。

1.2電氣控制原理

機(jī)床基本工作原理如下圖1所示:

這個系統(tǒng)的工作原理是,機(jī)讀取文件信息,把數(shù)據(jù)傳遞給SIMOTION D,再根據(jù)這些收到的數(shù)據(jù)控制電機(jī)模塊驅(qū)動電機(jī)帶動工作臺進(jìn)行位置控制,光柵尺實(shí)時檢測工作臺的位置信息并傳遞給SIMOTION D,實(shí)現(xiàn)對工作臺進(jìn)行位置調(diào)整滿足對位置的精度要求。由于光柵尺信號不能直接識別,所以通過傳感器模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號傳遞給SIMOTION D。被接收到主軸的轉(zhuǎn)速信息通過模擬量模塊輸出一個相應(yīng)的電壓控制變頻器驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動。工作臺的工作狀態(tài)可以通過多個傳感器如接近開關(guān)、斷刀檢測傳感器、深度檢測傳感器等檢測到并傳入系統(tǒng)。這些傳感器的信號先送到擴(kuò)展模塊中,再送入SIMOTION D中,運(yùn)用強(qiáng)大的工藝處理、邏輯處理能力,對這些信號進(jìn)行處理,從而完成整個的加工任務(wù)。

2PCB數(shù)控機(jī)床電氣控制

為了實(shí)現(xiàn)較高的控制精度,采用變頻器、電機(jī)、光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了提高生產(chǎn)率,數(shù)控機(jī)床具有工件自動夾緊、機(jī)械手自動換刀、斷刀檢測、通信檢測自動建立通信連接以及刀位檢測等多種功能,實(shí)現(xiàn)機(jī)床監(jiān)控的自動化。

2.1硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床是由上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件、硬件電路和機(jī)械部分組成。硬件電路負(fù)責(zé)機(jī)床的驅(qū)動、各部分之間信息的傳遞以及系統(tǒng)的保護(hù)等。

(1)機(jī)械手換刀。

機(jī)械手為氣動型有兩個自由度,向上伸出機(jī)械臂和刀具加緊。分別通過對電磁閥的開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手氣缸進(jìn)氣控制使機(jī)械手可以自由的伸出、收回、加緊刀具和松開刀具。為了刀具被正確的放回刀庫,機(jī)械手的伸出長度可以由SIMOTION D控制,實(shí)現(xiàn)方式為機(jī)械手的運(yùn)動活塞帶有磁性,在氣缸外壁安裝磁性感應(yīng)開關(guān),當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動到某一位置時感應(yīng)開關(guān)接通,SIMOTION D收到信號后立即關(guān)閉機(jī)械手的進(jìn)氣路達(dá)到機(jī)械手限位目的。

(2)斷刀檢測。

短刀檢測采用光纖傳感器,為OC門形式,三根接入線可以直接接24V電源,信號線可以通過電阻介入24V構(gòu)成電平輸出。傳感器的一根光纖輸出一束紅外線,另一根光纖接受這束紅外線,這樣可以通過是否被遮擋判斷道具是否失效。其原理圖如圖2所示。

2.2系統(tǒng)功能模塊

軟件的設(shè)計是整個系統(tǒng)的組成部分,是硬件按照要求工作的指揮者。下位機(jī)軟件是運(yùn)行在序,負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行部件工作和檢測機(jī)床狀態(tài)的任務(wù)。已經(jīng)組態(tài)好軸以后就可以通過程序?qū)S進(jìn)行操作。SIMOTION D內(nèi)部程序是由操作系統(tǒng)調(diào)用的,SCOUT為我們提供了大量的功能塊方便調(diào)用。

(1)軸使能功能塊。

此功能塊主要是對即將啟動的軸進(jìn)行初始化。在啟動一根軸之前必須先對此軸進(jìn)行使能。步驟為在中選擇要使能的軸,選擇使能方式。

(2)軸的位置控制功能塊。

軸的位置控制功能塊是驅(qū)動一根軸運(yùn)動到指定的位置。

(3)軸的回零功能塊。

對于非絕對值編碼器,每次系統(tǒng)上電軸必須回零以確定軸的當(dāng)前位置。

(4)關(guān)閉軸功能塊。

在軸不再啟動時可以關(guān)閉軸。在關(guān)閉軸后如果在操作軸運(yùn)動是非法的會造成停機(jī)。

2.3調(diào)試結(jié)論

本系統(tǒng)具有6根軸,使用了接近開關(guān)、深度檢測傳感器、機(jī)械手、壓力傳感器和變頻器等多種輸入輸出器件,各器件之間的相互融合性對系統(tǒng)的性能具有決定性作用。所以本系統(tǒng)的調(diào)試工作極為重要。經(jīng)過空載調(diào)試、主軸調(diào)試、傳感器工作參數(shù)調(diào)試、自動換刀和上位機(jī)控制調(diào)試,可以知道,高精度PCB數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)是成功的,具有高的可靠性和抗干擾能力,具備較高的動態(tài)特性與快速反應(yīng)能力。其中電機(jī)調(diào)試中的低速鳴叫與其載波頻率相關(guān),而一般鳴叫則與其電流增益相關(guān),嚴(yán)重的振動則是伺服增益參數(shù)需要較大調(diào)整,也就還需要進(jìn)一步努力。

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