基于PLC的教學(xué)型雕銑機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

李方

（廣東省技師學(xué)院數(shù)控技術(shù)系，廣東博羅 516100）

1 引言

目前，我國(guó)培養(yǎng)數(shù)控加工技術(shù)人才主要依賴于職業(yè)技術(shù)學(xué)校，特別是中專和技校。數(shù)控加工技術(shù)人才的培養(yǎng)分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是數(shù)控原理和數(shù)控編程的學(xué)習(xí)；第二個(gè)階段是數(shù)控機(jī)床的操作。通常學(xué)校在進(jìn)行這兩個(gè)方面的教學(xué)時(shí)是交互進(jìn)行的。由于學(xué)生人數(shù)眾多，學(xué)校在進(jìn)行這兩個(gè)方面的教學(xué)時(shí)往往顯得有些力不從心。其主要原因是由于數(shù)控機(jī)床的成本很高，投資較大，學(xué)校的財(cái)力不足，一般情況下每所學(xué)校中所擁有的數(shù)控機(jī)床只有幾臺(tái)，甚至有些學(xué)校根本就買(mǎi)不起數(shù)控機(jī)床。在這種情況下，學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床操作時(shí)，卻不能進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的實(shí)踐操作，會(huì)對(duì)數(shù)控原理和數(shù)控編程的學(xué)習(xí)帶來(lái)很大的影響。

針對(duì)這種情況，筆者設(shè)計(jì)了一款三軸聯(lián)動(dòng)桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用數(shù)控雕銑機(jī)，可解決學(xué)生沒(méi)有機(jī)床進(jìn)行實(shí)踐操作的難題。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

圖1 數(shù)控機(jī)床原理圖

常用的數(shù)控機(jī)床按圖1 所示的原理圖來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

將加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)后，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，向主軸箱內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制各進(jìn)給軸的伺服系統(tǒng)裝置發(fā)出指令。伺服裝置接受指令后向控制三個(gè)方向的進(jìn)給伺服（步進(jìn)）電機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)。主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給伺服（步進(jìn)）電機(jī)帶動(dòng)絲杠使機(jī)床的工作臺(tái)沿X、Y、Z 軸移動(dòng)，刀具對(duì)工件進(jìn)行切削。

通常，數(shù)控系統(tǒng)一般由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置組成。由于計(jì)算機(jī)本身含有運(yùn)算器、控制器等單元，因此，這里的數(shù)控系統(tǒng)由帶有相關(guān)軟件的計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。

圖2 三軸聯(lián)動(dòng)桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用數(shù)控雕銑機(jī)的原理圖

伺服系統(tǒng)的作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，使工作臺(tái)精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最后加工出符合圖紙要求的零件。筆者設(shè)計(jì)的三軸聯(lián)動(dòng)桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用數(shù)控雕銑機(jī)擬采用PLC 控制器控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)完成相關(guān)的動(dòng)作。

機(jī)床主體主要是機(jī)械的執(zhí)行部分，實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)工件的切削。因此，三軸聯(lián)動(dòng)桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用數(shù)控雕銑機(jī)的原理圖可用圖2 來(lái)表達(dá)。

2.2 機(jī)床主體的設(shè)計(jì)

雕銑機(jī)要實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)工件的切削運(yùn)動(dòng)，其機(jī)床主體通常由床身、運(yùn)動(dòng)部件、傳導(dǎo)裝置和運(yùn)動(dòng)源等部分組成。

（1）床身。大體可以分為焊接型和鑄鐵型兩種。焊接型床身靈活多變，工藝較為簡(jiǎn)單價(jià)格適中。缺點(diǎn)是去除應(yīng)力工藝較為繁瑣。鑄鐵床身一次鑄造成型不易變形，但因?yàn)殍T造工藝的繁瑣及鑄造行業(yè)的特有性質(zhì)其價(jià)格較高。

（2）運(yùn)動(dòng)部件。也就是俗話說(shuō)的龍門(mén)。龍門(mén)的優(yōu)劣關(guān)鍵在于材料的選擇和工件精度?，F(xiàn)有雕刻機(jī)龍門(mén)材料主要有鐵質(zhì)和鋁質(zhì)兩種。鐵質(zhì)龍門(mén)價(jià)格低，但是因其重量過(guò)大而不被大多數(shù)廠家選用。鋁制龍門(mén)質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，是現(xiàn)在的主導(dǎo)產(chǎn)品。為什么要質(zhì)量輕的材質(zhì)呢？因?yàn)槟Σ亮蛪毫Τ烧?，所以質(zhì)量越輕，摩擦力越小，對(duì)運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)裝置的損害越小，對(duì)步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的阻力越小，運(yùn)動(dòng)速度也就越快。

（3）運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)裝置。運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)裝置可以分為運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換及直線約束兩部分組成。運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換是將步進(jìn)電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，在雕刻機(jī)上由有滾珠絲杠或齒條來(lái)完成。絲杠單位距離內(nèi)運(yùn)行精度高，但由于其結(jié)構(gòu)原因，不可避免地存在累計(jì)誤差。齒條的單位距離內(nèi)運(yùn)行精度低，但其往復(fù)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)使其不會(huì)因運(yùn)行距離而產(chǎn)生累計(jì)誤差。直線約束裝置俗稱導(dǎo)軌，有圓形和方形兩種，一般情況下絲桿和圓軌組合，這就是我們常說(shuō)的絲桿機(jī)，方軌和齒條組合就是齒條機(jī)。質(zhì)量的優(yōu)劣除導(dǎo)軌的耐磨程度及摩擦系數(shù)外，最需要注意的一點(diǎn)就是其硬度及抗彎強(qiáng)度。對(duì)于導(dǎo)軌，滾珠絲杠建議選用進(jìn)口產(chǎn)品，因?yàn)槠渑c機(jī)器的壽命及性能密切相關(guān)。

三軸聯(lián)動(dòng)桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用數(shù)控雕銑機(jī)的機(jī)床主體如圖3 所示。

圖3 三軸聯(lián)動(dòng)桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用數(shù)控雕銑機(jī)的機(jī)床主體圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)是一種利用電磁鐵的作用原理來(lái)實(shí)現(xiàn)固定步角旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。它能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)控制。在機(jī)床不進(jìn)行超負(fù)荷運(yùn)行的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置通常只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不因負(fù)荷變化而發(fā)生變化。即每給步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)脈沖信號(hào)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)確定的步距角。步距角越小，則機(jī)床的控制精度越高。常用的步距角一般在0.5°～3°的范圍內(nèi)。由于步進(jìn)電機(jī)的誤差只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，故用步進(jìn)電機(jī)來(lái)進(jìn)行速度、位置等參數(shù)的控制就易于實(shí)現(xiàn)。

步進(jìn)電機(jī)還具有以下特點(diǎn)：①步進(jìn)電機(jī)具有良好的跟隨性。由于步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入的脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，因此當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一圈后沒(méi)有累計(jì)誤差，因此步進(jìn)電機(jī)具有良好的跟隨性。②由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，性能又非常可靠，并且步進(jìn)電機(jī)也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成更高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。③步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以在較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行平穩(wěn)地調(diào)整，在低轉(zhuǎn)速下也能獲得較大的轉(zhuǎn)矩，故在一般情況下可以不采用減速器而直接驅(qū)動(dòng)絲桿進(jìn)行工作。④步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常快，因此，易于實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及變速等控制。

圖4 57BYG 步進(jìn)電機(jī)（示意圖）

表1 57 系列步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

當(dāng)前，較為廣泛應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)主要是感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)。常見(jiàn)的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)可以按相數(shù)分類：二相電機(jī)、三相電機(jī)、四相電機(jī)以及五相步進(jìn)電機(jī)等；可以按機(jī)座號(hào)來(lái)分類，即取電機(jī)的外徑作為分類標(biāo)準(zhǔn)：42BYG、57BYG、86BYG、110BYG 等感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)。

根據(jù)以上步進(jìn)電機(jī)的工作原理和工作特點(diǎn)，選用了57 系列的步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，如圖4 所示。其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

2.4 PLC 控制器的設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)不能象普通的直流電機(jī)和交流電機(jī)那樣在直流電源或交流電源下使用，而需要用脈沖電源供電，因此，它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。

為了使數(shù)控雕銑機(jī)適合桌面經(jīng)濟(jì)型教學(xué)用，從縮小體積、降低成本這個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)PLC 控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。PLC 控制器采用了TA8435 芯片。TA8435 芯片是一種單片正弦細(xì)分二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片。TA8435 芯片的工作電壓在10～40V的范圍內(nèi)，輸出電流平均可達(dá)1.5A，峰值在2.5A 左右；它具有整步、半步、1/4 細(xì)分、1/8 細(xì)分運(yùn)行方式進(jìn)行選擇；而且TA8435 芯片具有正反轉(zhuǎn)控制功能和帶有復(fù)位功能引腳；可選擇使用單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入。

PLC 控制器的電路原理如圖5 所示。實(shí)物圖如圖6所示。

2.5 PC 機(jī)與PLC 控制器接口及軟件選擇

PC 機(jī)與PLC 控制器采用了并口連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和傳遞。為了使NC 加工程序能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，在PC 機(jī)中安裝了MACH 軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換和傳遞，也可安裝KCAM 軟件。如圖7 所示為MACH3 軟件的主界面。

圖6 PLC 控制器實(shí)物圖

圖7 MACH3 軟件主界面

圖8 單位設(shè)置對(duì)話框

在MACH 軟件中，為了與雕銑機(jī)相適應(yīng)，需要對(duì)該軟件作一些相關(guān)的設(shè)置。利用主界面下的功能菜單進(jìn)行“設(shè)置”。如圖8 所示為電機(jī)運(yùn)動(dòng)單位設(shè)置；圖9 所示為端口與引腳設(shè)置對(duì)話框；圖10 所示為電機(jī)調(diào)整和參數(shù)設(shè)置對(duì)話框等。

圖9 端口與引腳設(shè)置

圖10 電機(jī)參數(shù)

3 雕銑機(jī)的實(shí)例操作

通常，數(shù)控機(jī)床在工作過(guò)程中常用的方式有兩種：（1）手工方式。直接在控制端輸入指令的方式控制機(jī)床工作。（2）自動(dòng)方式。將自動(dòng)編程軟件編寫(xiě)好的程序調(diào)入，來(lái)控制機(jī)床自動(dòng)進(jìn)行加工。

圖11 所示為手工方式控制機(jī)床進(jìn)行加工的軟件界面。該界面為執(zhí)行了G01 X10.Y10.F100 后的情況。圖12為自動(dòng)方式進(jìn)行加工的軟件界面。該界面為執(zhí)行了一個(gè)CNC 程序文件中的情況。雕銑機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)與該軟件反映的情況相一致。

圖11 手工方式

圖12 自動(dòng)方式

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的雕銑機(jī)的機(jī)床其行程由絲桿決定（X 軸的行程為500mm，Y 軸的行程為500mm，Z 軸的行程為50mm）。整體外形尺寸約為550mm×550mm×100mm，適合采用單人工移動(dòng)的方式搬動(dòng)到教室中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)示范使用。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，投入的設(shè)備成本較低，教學(xué)效果良好，有較大的推廣使用空間。若采用長(zhǎng)度尺寸更小的絲桿，可進(jìn)一步減小整體外形尺寸，更適合作為教具隨身攜帶進(jìn)入理論課堂使用。

［1］王潤(rùn)孝.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

［2］林其駿.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

［3］關(guān)學(xué)忠，胡松.單片機(jī)與TA8435的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（3）：76-77.