基于變頻與PLC控制的車床主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

歐 洲，張曉東，田先亮

（廣東白云學(xué)院 機電工程系，廣州 510450 ）

0 引言

隨著計算機技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，作為國家裝備工業(yè)基礎(chǔ)的機床在向數(shù)字控制和智能控制的方向發(fā)展。數(shù)控機床是先進機械制造技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測技術(shù)等先進技術(shù)的系統(tǒng)集成，只要改變零件加工程序就能加工所需要的產(chǎn)品，加工速度快、精度高、花樣多，能快速滿足市場需求。目前小型數(shù)控車床在玩具制造、小零件小五金加工、裝飾廣告等行業(yè)有著廣闊的前景，為適應(yīng)市場靈活多變的需求，開發(fā)設(shè)計各種小型數(shù)控車床能較好的滿足一大批中小企業(yè)的多樣化需求，走與中大型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備廠家不同的差異化道路。本文主要探討以國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)為控制軟件，對C6140型車床主軸進行以變頻技術(shù)與PLC控制技術(shù)為主的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計。

1 車床主軸數(shù)控化設(shè)計總體方案

目前國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)大型的有SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、中型的有FANUC數(shù)控系統(tǒng)、中小型的有三菱數(shù)控系統(tǒng)等，這些數(shù)控系統(tǒng)價格都在5萬元以上，屬于高精度的閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式。通過對加工要求、精度要求、價格等因素比較后，采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)，包括控制面板、主機系統(tǒng)板卡與輸入輸出接口，繼電器與PLC外部I/O板，以及電氣控制設(shè)計與元器件安裝、調(diào)試等自行完成。主軸數(shù)控采用開環(huán)控制方式和半閉環(huán)控制方式，包括硬件電氣控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。數(shù)控系統(tǒng)能控制主軸啟停、轉(zhuǎn)速、方向、過載和報警等；刀架能根據(jù)加工需要自動轉(zhuǎn)位換刀；車床主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖1所示。

圖1 主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2 主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案

2.1 主軸變頻器、電機與卡盤的選擇

為了提高車床的自動化程度，主軸采用變頻調(diào)速，進行半閉環(huán)控制，根據(jù)機械部分的設(shè)計計算與C6140車床加工要求可選擇FRF740-7.5KCH三菱變頻器，適配7.5KW的三相交流調(diào)速電機；為了實現(xiàn)較好的低速大轉(zhuǎn)矩特性，采用分檔無級變頻調(diào)速，即在精密加工的時候可選擇低速機械檔位和高速機械檔位，然后再通過變頻器來調(diào)速；主軸運動由主軸電機驅(qū)動，電機的調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、啟停、急停、報警等由PLC與數(shù)控系統(tǒng)控制。

主軸卡盤采用電動卡盤，卡盤的夾緊與松開由PLC與數(shù)控系統(tǒng)控制?？蛇x擇KD11250型號電動三爪自定心卡盤，加裝夾緊與松開信號開關(guān)，與數(shù)控系統(tǒng)的對應(yīng)端口連接。

2.2 主軸編碼器的選擇

主軸為了能加工螺紋，主軸電機要加裝主軸編碼器，與主軸同步轉(zhuǎn)動，作為主軸位置信號的反饋元件，用來測量電機的轉(zhuǎn)速、位移和轉(zhuǎn)向，保證加工螺紋或絲杠時，主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具能準(zhǔn)確移動一個導(dǎo)程。根據(jù)機械部分的設(shè)計計算與要求，車床能加工的最大螺紋導(dǎo)程為24mm，縱向的進給脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，所以每轉(zhuǎn)一周加工一個導(dǎo)程輸出2400個脈沖，編碼器有A、B相輸出信號，A、B相位差為90°，另外為了重復(fù)車削同一螺紋時不亂扣，編碼器還需每轉(zhuǎn)輸出一個零位脈沖Z?？蛇x擇ZLF-2400Z-05VO-15型號的螺紋編碼器。編碼器信號端與數(shù)控系統(tǒng)對應(yīng)端口連接。

3 主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計與實施

3.1 主軸變頻器調(diào)速系統(tǒng)電氣控制實施

主軸采用7.5KW以下的普通變頻器控制交流變頻電機實現(xiàn)調(diào)速，變頻器選擇三菱、臺達或日立普通型變頻器，可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)主軸的無級變速。這時可利用已有的數(shù)控系統(tǒng)主軸控制接口，接口AOUT中模擬量電流或電壓輸出信號，可作為變頻器的調(diào)速信號，如果采用單極性模擬量電壓，這時用開關(guān)量輸出信號控制主軸的啟停、正反轉(zhuǎn)。主軸速度模擬電壓信號范圍為-10V～+10V，電流最大為10mA，如果采用雙極性模擬量電壓，這時采用使能信號控制主軸啟停。主軸編碼器電源輸出為+5V，使用差分TTL方波，可提高可靠性和抗干擾能力，最大電流為200mA，信號電平為RS422電平。數(shù)控裝置與主軸變頻器、編碼器的電氣連接圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控裝置與主軸變頻器、編碼器的電氣連接圖

3.2 主軸外部I/O開關(guān)量PLC控制原理與設(shè)計

主軸電氣系統(tǒng)開關(guān)量輸入信號與工作原理有：主軸機械一檔啟動信號X2.0、二檔啟動信號X2.1，常開觸點，閉合有效，啟動機械變檔；主軸外部運行允許信號X2.4，常開觸點，閉合有效，主要檢測變頻器使能；主軸過載報警信號X3.0，常閉觸點，斷開有效，主要監(jiān)控變頻器是否異常；主軸速度到達信號X3.1，常開觸點，閉合有效，檢測主軸穩(wěn)定速度；卡盤松開信號X0.7、常開觸點，閉合有效，啟動卡盤松開；卡盤夾緊信號X0.6，常開觸點，閉合有效，啟動卡盤夾緊?？ūP夾緊驅(qū)動信號Y1.6，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號，控制卡盤夾緊；主軸制動信號Y1.2，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號，控制電機制動；卡盤松開驅(qū)動信號Y1.3，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號，控制卡盤松開；主軸機械一檔驅(qū)動信號Y1.4,低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號，控制機械部分換到一擋；主軸機械二檔驅(qū)動信號Y1.5，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號，控制機械部分換到二擋。數(shù)控系統(tǒng)采用華中數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)采用內(nèi)置式PLC，可根據(jù)車床設(shè)計要求進行PLC程序的二次開發(fā)，開發(fā)源程序語言為C語言，前期設(shè)計可用梯形圖語言。主軸系統(tǒng)PLC控制電氣原理如圖3所示。

圖3 主軸系統(tǒng)PLC控制電氣原理圖

3.3 數(shù)控系統(tǒng)與變頻器組合控制

數(shù)控系統(tǒng)與變頻器的組合控制時主要參數(shù)有：主軸過載X3.0，主軸速度到達X3.1，主軸運行允許X2.4，正轉(zhuǎn)啟動X0.0，反轉(zhuǎn)啟動X0.1，外部停止X0.2，變頻高速啟動X4.0，變頻中速啟動X4.1，變頻低速啟動X4.2，制動解除X4.3，主軸正轉(zhuǎn)控制Y1.0，主軸反轉(zhuǎn)控制Y1.1，高速控制Y2.0，中速控制Y2.1，低速控制Y2.2，停止控制Y2.3，變頻器STF為正轉(zhuǎn)啟動端，變頻器STR為反轉(zhuǎn)啟動端，變頻器RH為高速啟動端，變頻器RM為中速啟動端，變頻器RL為低速啟動端，變頻器MRS為變頻停止端，變頻器OL為過載報警端，變頻器SU為頻率到達端，變頻器無級調(diào)速電流為AOUT2/4～20mA，無級調(diào)速控制端Y2.4，變頻模擬調(diào)速端4與AU為ON，變頻器公共端SD。變頻器工作時需根據(jù)要求設(shè)置好主要參數(shù)。主軸數(shù)控系統(tǒng)與變頻器控制電氣原理圖如圖4所示。

圖4 主軸數(shù)控系統(tǒng)與變頻器控制電氣原理圖

3.4 主軸PLC控制系統(tǒng)外部I/O開關(guān)量設(shè)計

外部I/O開關(guān)量電氣控制首先要設(shè)計制作輸入信號板和輸出信號板，也可以購買華中數(shù)控的輸入輸出繼電器板，但價格較高、成本高。開關(guān)量輸入輸出的電氣控制原理類型有NPN、PNP兩種類型，采用NPN型的輸入輸出類型，并制作輸入輸出信號板。開關(guān)量輸入技術(shù)參數(shù)為采用光耦合技術(shù)，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，導(dǎo)通電流為5～9mA，最大漏電流小于0.1mA，濾波時間小于2ms。開關(guān)量輸出技術(shù)參數(shù)為采用光耦合技術(shù)，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，最大輸出電流為100mA。輸入等效電路如圖5、輸出如圖6所示。

圖5 開關(guān)量輸入電氣原理圖

圖6 開關(guān)量輸出電氣原理圖

按下輸入按鍵X，光耦合器接口電路導(dǎo)通，產(chǎn)生輸入信號X，通過數(shù)控系統(tǒng)與PLC提供的接口送入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部進行運算處理。

數(shù)控系統(tǒng)與PLC通過輸出接口送出控制信號Y，高電平時候，光耦合器接口電路導(dǎo)通，輸出端子Y連接外部繼電器KA導(dǎo)通，KA常開觸點閉合，變頻器控制電路導(dǎo)通，實現(xiàn)主軸電機的控制?？刂菩盘朰為低電平時，光耦合器接口電路不導(dǎo)通，外部繼電器KA失電，KA斷開，變頻器控制電路斷開。

4 主軸電氣控制與數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試

主軸變頻調(diào)速與數(shù)控系統(tǒng)PLC控制電路設(shè)計完成后，開始進行PLC控制與變頻器調(diào)速以及卡盤夾緊、松開，機械自動變換一擋和二擋的調(diào)試。

圖7 主軸PLC控制系統(tǒng)主要梯形圖程序

首先，進行PLC程序的編寫。由于華中數(shù)控系統(tǒng)是內(nèi)置PLC系統(tǒng)，并且源程序需用C或C++語言編寫，因此，需要將前述的PLC梯形圖程序改變?yōu)镃語言程序，可取名為“zhuzhouplc.cld”文件名，后綴必須是“.cld”。在DOS下面進入PLC安裝目錄，如：C:HNC-21PLC>EDIT zhuzhouplc.cld<回車>，就建立了PLC的C語言程序，并取名為zhuzhouplc.cld。然后輸入C:HNC-21PLC>MAKEPLC zhuzhouplc.cld<回車>，這時系統(tǒng)又回到C:HNC-21PLC>下，表明程序編譯成功，編譯結(jié)果為zhuzhouplc.com，然后更改數(shù)控系統(tǒng)配置文件NCBIOS.CFG，進入C:HNC-21>EDIT NCBIOS.CFG，并加上：Device=C:HNC-21PLCzhuzhouplc.com，這時數(shù)控系統(tǒng)啟動時就會加載新編寫的PLC程序。

其次調(diào)用華中數(shù)控系統(tǒng)車床標(biāo)準(zhǔn)PLC系統(tǒng)。

根據(jù)前面改造設(shè)計的PLC控制與I/O開關(guān)量參數(shù)，如果參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化，如開關(guān)被壓下，則對應(yīng)的開關(guān)量數(shù)字狀態(tài)也會發(fā)生變化，由此可檢測I/O開關(guān)量的電路連接改造設(shè)計是否正確。數(shù)控系統(tǒng)主機啟動后，對主軸外部I/O開關(guān)量進行接通與斷開測試，X、Y的狀態(tài)都能在PLC狀態(tài)界面顯示出來，由此可見電氣電路設(shè)計正確。

5 結(jié)束語

主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計后進行調(diào)試，控制軟件采用華中數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)方便快捷的人機對話、數(shù)控加工程序的編譯、運行、計算和信號輸出以及整個系統(tǒng)的管理等。主軸自動和手動調(diào)試運行結(jié)果顯示，主軸電氣與PLC控制系統(tǒng)運行時間短、速度快、效率高、無死循環(huán)、死機現(xiàn)象，I/O開關(guān)量接口的信號響應(yīng)快，主軸加工的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性比普通車床有較大改善，整個主軸運行正常。

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