基于PLC的高速銑削實驗臺集成控制系統(tǒng)設(shè)計

吳 碩，馬廣君，史家順，竇 艷

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161；2.東北大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110089）

基于PLC的高速銑削實驗臺集成控制系統(tǒng)設(shè)計

吳 碩1，馬廣君1，史家順2，竇 艷2

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161；2.東北大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110089）

0 引言

高速切削加工是現(xiàn)代切削加工的發(fā)展方向，而切削力和切削溫度等參數(shù)是影響高速切削技術(shù)研究的重要內(nèi)容，也是反應(yīng)加工過程的重要參數(shù)。然而，現(xiàn)有的切削力、切削溫度檢測系統(tǒng)都是一套獨立的系統(tǒng)，設(shè)計開發(fā)一套數(shù)控加工與切削力、切削溫度檢測集成系統(tǒng)，不僅可以減少了部分硬件設(shè)備，降低了成本，也使系統(tǒng)功能更加強大和集中，便于高速切削的研究。本文利用實驗室已具備的高速電主軸、刀庫等實驗設(shè)備，搭建一個可自動換刀的高速切削實驗臺，開發(fā)了一套以PC機為上位機，PLC為下位機的集成控制系統(tǒng)，并對其硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)進行了介紹。

1 集成控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 高速銑削實驗臺搭建

高速銑削實驗臺要求能夠?qū)崿F(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速在12000r/min以上的高速銑削，工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)橫向和縱向兩個方向的移動，能夠自動換刀，根據(jù)這些要求，結(jié)合加工中心的機械結(jié)構(gòu)，提出高速銑削實驗臺的搭建方案。實驗臺由底座、立柱、工作臺、主軸等部分組成，實驗臺的機構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 高速銑削實驗臺控制要求

圖1 高速銑削實驗臺機構(gòu)示意圖

1）實現(xiàn)電主軸的控制。高速銑削實驗臺的構(gòu)建，最主要的目的是進行高速銑削實驗，本系統(tǒng)的高速銑削主要體現(xiàn)在主軸的高速，主要是主軸的速度控制。另外，為了完成自動換刀功能，主軸需具有準(zhǔn)停功能，即換刀前，主軸會停止在一個固定角度來實現(xiàn)刀具與主軸刀具接口之間的鍵聯(lián)接。

2）實現(xiàn)實驗臺的進給運動控制。高速銑削實驗臺的進給運動控制跟數(shù)控銑床的進給運動控制方法相同，但實驗臺以對高速銑削的切削參數(shù)檢測為主，故本系統(tǒng)的進給運動功能只設(shè)計了手動操作下的點位運動控制和直線運動控制，實驗臺的坐標(biāo)系設(shè)定為XOY坐標(biāo)系。

3）實現(xiàn)刀庫的控制。高速銑削實驗臺另外一個重要的功能是實現(xiàn)自動換刀，自動換刀包括選刀和換刀兩部分，選刀是通過對刀盤的控制旋轉(zhuǎn)把所選刀號的刀旋轉(zhuǎn)到換到位，換刀是利用換刀機械手把主軸和刀庫的刀具相交換。

4）實現(xiàn)高速銑削實驗臺的切削力和切削溫度檢測功能。

1.3 控制方案的選擇

對于控制步進電機或伺服電機實現(xiàn)三軸、四軸的聯(lián)動，采用運動控制器具有很好的開放性，但運動控制器需配有專門的運動控制軟件。PLC脈沖控制功能同樣可以實現(xiàn)運動控制，而且PLC程序簡單易懂，開發(fā)周期短、通信簡單、抗干擾能力強。與運動控制器相比，PLC開發(fā)相對簡單，更適用于本系統(tǒng)對運動控制要求不是很高的場合。

所以，綜合考慮系統(tǒng)的控制要求和實際情況，該系統(tǒng)用PLC實現(xiàn)前臺主軸、刀庫、運動控制和切削參數(shù)采集功能，用PC機實現(xiàn)人機界面及后臺管理，并通過PC機與PLC之間的通信完成整個系統(tǒng)的控制任務(wù)。

2 集成控制器的硬件設(shè)計

2.1 集成控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)高速銑削實驗臺的控制方案和實驗臺的控制要求，確定控制系統(tǒng)由以下硬件組成如下：1）PC機和PLC；2）電主軸和變頻器；3）步進電機及驅(qū)動器；4）刀庫；5）銑削力測力儀；6）自然熱電偶，控制系統(tǒng)的硬件機構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 PC機與PLC選擇

PC機作為上位機主要完成人機界面的開發(fā)，PC機可選用普通配置的個人PC機，帶有RS-232串口。本實驗臺控制系統(tǒng)PLC選用西門子200系列的小型PLC CPU224XP，CPU224XP集成兩個模擬輸入通道和一個模擬輸出通道，可輸入、輸出0～5V、-10V～10V的電壓信號或0～20mA的電流信號。兩個模擬量輸入通道可用于切屑參數(shù)信號輸入，一個模擬量輸出通道可以控制變頻器來實現(xiàn)主軸變頻調(diào)速。

2.3 進給驅(qū)動系統(tǒng)確定

高速銑削實驗臺三個方向的進給都由步進電機驅(qū)動，PLC輸出的高速脈沖經(jīng)過驅(qū)動器進行功率放大，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，通過滾珠絲杠帶動工作臺在三個方向上移動。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計方案要求，以滿足主要性能為前提，三個方向均選擇Kinco公司的3S57Q-04056型步進電機，配套驅(qū)動器為KM358型步進驅(qū)動器根據(jù)步進電機驅(qū)動器和PLC內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，以及控制要求，確定步進電機驅(qū)動器和PLC的接線原理圖如圖3所示。

圖3 步進電機驅(qū)動器和PLC接線原理圖

2.4 電主軸控制系統(tǒng)選擇

系統(tǒng)中，電主軸采用變頻器來實現(xiàn)無極調(diào)速。根據(jù)電主軸的參數(shù)，選擇與電主軸相配套的西門子MM420變頻器。西門子變頻器內(nèi)建RS-485通信口，可直接與上位機相連，實現(xiàn)對變頻器的控制，也可以通過PLC的模擬量模塊輸出與頻率對應(yīng)的模擬量信號來實現(xiàn)對變頻器的控制。本系統(tǒng)采用模擬量控制的方案。根據(jù)變頻器端子配線圖與電主軸的控制要求，確定PLC與變頻器接線的原理圖如圖4所示。

電主軸上裝有高速編碼器GEL244，該編碼器輸出脈沖最高頻率可達(dá)200Hz，輸出脈沖是相位相差90°的正弦信號，編碼器采用輸出采用長線驅(qū)動方式，接口為9針，輸出信號分別為A相輸出A+、A-，B相輸出B+、B-和零位脈沖輸出N+、N-。為使PLC可以接收編碼器的輸出脈沖信號，可采用光電耦合器進行輸出信號轉(zhuǎn)換，使編碼器可以接入PLC，其硬件接線圖如圖5所示。

圖4 變頻器與PLC接線原理圖

圖5 編碼器與PLC接線原理圖

2.5 切削力和切削溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

切削力采用壓電式三向銑削測力儀進行測量，系統(tǒng)把測力儀的電壓信號經(jīng)過動態(tài)電阻應(yīng)變儀的濾波和放大后用PLC的模擬量模塊進行采集。切削溫度采用自然熱電偶法，將刀具和工件兩種材料作為熱電偶的兩極，組成閉合回路來測量切削溫度，同樣電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大后用PLC的模擬量模塊進行采集。切削力和切削溫度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 切削力和切削溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.6 操作面板設(shè)計

高速銑削實驗臺如圖7所示，面板主要分布總電源、啟動、停止、急停按鈕；總電源、控制電源、報警指示燈；液壓、氣壓、冷卻、切削液選擇開關(guān)；+X、-X、+Y、-Y點動按鈕；主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、主軸停按鈕。這些按鈕、開關(guān)通過電纜把I/O信號輸入到PLC中，由PLC實現(xiàn)實驗臺的各控制功能。

圖7 高速銑削實驗臺操作面板

3 集成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件包括控制功能模塊和管理功能模塊兩部分。其中控制功能模塊包括：手動加工、切削力、切削溫度采集和顯示、工作臺坐標(biāo)顯示。管理模塊包括：控制參數(shù)設(shè)置、切削數(shù)據(jù)管理、控制系統(tǒng)通信。

如果按系統(tǒng)實現(xiàn)的功能來劃分，本系統(tǒng)可以分為數(shù)控加工模塊和切削力和切削溫度檢測模塊。數(shù)控加工模塊主要包括主軸控制、刀庫控制、工作臺運動控制和輔助控制模塊，切削力和切削溫度檢測模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲模塊。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)就是在實驗臺的人機界面設(shè)定工作臺運動參數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、換刀號，根據(jù)參數(shù)的設(shè)定手動完成點動、原點返回、目標(biāo)定位、進給、主軸控制、自動換刀等功能，并在高速銑削中進行切削力和切削溫度的檢測和數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)的工作流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

4 實驗臺運行調(diào)試

系統(tǒng)硬件、PLC程序、人機界面和PLC的通信都調(diào)試完成以后，可以進行整個系統(tǒng)的試運行。把編寫好的完整的PLC程序下載到PLC中，打開總電源開關(guān)，點擊操作面板上的“開始”按鈕步進電機上電，分別按下控制工作臺前、后、左、右移動的點動按鈕，工作臺開始點動運動。打開人機界面，分別進行原點返回、定位、進給功能測試，經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠按照人機界面輸入的參數(shù)完成各運動控制，并且人機界面中能夠?qū)崟r顯示工作臺的坐標(biāo)值。點擊操作面板的“停止”按鈕，電機停轉(zhuǎn)。按下急停按鈕，系統(tǒng)斷電。系統(tǒng)運行人機界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)運行人機界面

用電位器提供的電壓模擬量輸入信號作為切削參數(shù)的輸入信號，人機界面采集切削參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部變量設(shè)定的標(biāo)定系數(shù)方程轉(zhuǎn)化之后，在“實時趨勢曲線”中顯示采集數(shù)據(jù)的曲線圖如圖11所示。

圖11 切削力和切削溫度實時曲線圖

分別采入四次數(shù)據(jù)，模擬進行了四次高速銑削實驗，切削參數(shù)檢測系統(tǒng)會對實驗結(jié)果做出分析。點擊人機界面的“數(shù)據(jù)處理表格”按鈕，彈出“數(shù)據(jù)處理” 窗口如圖12所示。點擊“XY曲線”按鈕，彈出“切削參數(shù)XY曲線”窗口如圖13所示。

圖12 數(shù)據(jù)分析表格窗口

圖13 XY曲線圖

經(jīng)調(diào)試和試運行，本系統(tǒng)的運動控制功能和切削參數(shù)檢測功能可以正常運行，能夠達(dá)到要求實現(xiàn)的設(shè)計功能。

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有的軟硬件資源，對高速銑削數(shù)控系統(tǒng)和切削力、切削溫度檢測系統(tǒng)的集成做出了積極的探索，利用組態(tài)軟件的開發(fā)把兩種功能集成在一個控制系統(tǒng)中，方便了高速銑削實驗的開展，但其功能遠(yuǎn)不能滿足高速銑削實驗臺對高速銑削銑削用量、切削路徑等方面研究的要求，系統(tǒng)需要進一步研究和開發(fā)，使其具有使用價值。

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Design of integration control system for high-speed milling experiment platform based on PLC

WU Shuo1，MA Guang-jun1，SHI Jia-shun2，DOU Yan2

文章利用現(xiàn)有的高速電主軸、刀庫等實驗設(shè)備構(gòu)建一個可自動換刀的高速銑削實驗臺，結(jié)合其特點和控制要求，采用“PC+PLC”的結(jié)構(gòu)形式研究和開發(fā)了一套基于PC機的高速銑削實驗臺集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用PLC實現(xiàn)前臺主軸、刀庫、運動控制和切削參數(shù)采集功能，用PC機實現(xiàn)人機界面及后臺管理，并通過PC機與PLC之間的通信完成整個系統(tǒng)的控制任務(wù)。實驗結(jié)果表明，所開發(fā)的高速銑削實驗臺集成控制系統(tǒng)系統(tǒng)運行良好，操作方便，人機界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)控制高速銑削實驗的控制要求以及切削力和切削溫度的檢測要求。

高速銑削實驗臺；集成控制系統(tǒng)；人機界面；PLC

吳碩（1982 -），男，沈陽人，講師，碩士研究生，研究方向為電氣自動化和工業(yè)控制技術(shù)。

TP391

A

1009-0134(2014)06(上)-0128-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).37

2014-02-17