基于歐姆龍PLC的鏜床電氣控制系統(tǒng)改造

雷　鈞　羅　敏　吳岳敏　李慧玲　梅　燁　馬　彬

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

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基于歐姆龍PLC的鏜床電氣控制系統(tǒng)改造

雷鈞羅敏吳岳敏李慧玲梅燁馬彬

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

結(jié)合工廠實(shí)際情況，將傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制方式和歐姆龍PLC控制方式有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了深孔鏜床的電氣控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的靈活性，使其功能更加完善。

深孔鏜床；PLC；電氣控制系統(tǒng)

深孔鏜床是加工圓柱形深孔工件的專用機(jī)床，床身剛性強(qiáng)，精度保持性好。主軸范圍廣，進(jìn)給系統(tǒng)由交流伺服電動機(jī)組成，能適應(yīng)各種深孔加工工藝的需要。授油器緊固和工件頂緊采用液壓裝置，安全可靠。筆者所在的團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)湖北佳恒科技有限公司的需求，對該公司17臺深孔鏜床進(jìn)行了電氣改造。

深孔鏜床在鏜孔加工時(shí)，其切削效率經(jīng)常是影響整個工藝過程生產(chǎn)率的關(guān)鍵。鏜孔銑削過程是一個極其復(fù)雜、多因數(shù)相關(guān)的過程。影響鏜孔加工質(zhì)量和效率的主要因素有刀具磨損、振顫等，它們都會直接反映到切削力的大小變化。由于切削力能快速準(zhǔn)確地反映加工過程的狀態(tài)變化，因此在實(shí)際鏜孔加工中對于銑削力的監(jiān)控顯得尤為重要。高速高精是鏜孔加工永恒的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)恒切削加工是保證高速高精鏜孔加工的關(guān)鍵。在鏜孔過程中，由于毛坯材質(zhì)不同，使得切削過程中的切削力不是一恒定值。為了保證刀具不被損壞，在實(shí)際鏜孔加工過程中，進(jìn)給速度等工藝參數(shù)總是按最惡劣的條件來確定。這樣，導(dǎo)致切削功率過小，機(jī)床長期處于輕載狀態(tài)下，加工時(shí)間過長，機(jī)床的效能就不能充分發(fā)揮出來。

目前深孔鏜床在使用過程中，存在以下問題：(1)被加工工件材料不同，如果切削速度快，會打刀；如果切削速度慢，則加工時(shí)間長，效率低。(2)冷卻泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)不能有效監(jiān)測，此時(shí)若加工仍在進(jìn)行，損壞刀具與工件。(3)文本顯示的界面，操作不方便。在鏜孔加工時(shí)，加工要求刀具輸出功率恒定，以保證加工質(zhì)量和延長刀具壽命。但是目前采用人工監(jiān)視電流互感器輸出到電流表的數(shù)值，然后手工調(diào)節(jié)伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速，主軸交流電動機(jī)的輸出功率處于開環(huán)狀態(tài)，加工精度受到影響。因?yàn)橐O(jiān)視電流表的數(shù)值和冷卻液的狀況，一個操作工只能操作一臺鏜床，人員的生產(chǎn)率低。

針對以上主要存在的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于歐姆龍PLC的鏜床電氣控制系統(tǒng)，在保證加工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求的前提下，使整個鏜床系統(tǒng)處于最佳的鏜孔切削條件。如圖1所示，刀桿安裝在拖板上，伺服電動機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)帶動托板運(yùn)動，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速決定了軸向進(jìn)刀量。工件裝卡在床頭三爪卡盤上，由變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)，通過皮帶帶動工件旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍180～230 r/min。選定機(jī)床主軸電動機(jī)的電流為約束參數(shù)，通過交流互感器間接測量的方法獲取，交流互感器的交流電流輸出值經(jīng)電流變送器送入PLC的A/D，PLC通過監(jiān)測主軸電動機(jī)的電流，形成主軸電動機(jī)電流的閉環(huán)控制，使主軸電動機(jī)電流保持恒定。在加工中當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，PLC通過D/A輸出模擬量(+10 V～-10 V)控制伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速或者主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整刀具的進(jìn)給速度或者主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)負(fù)載的變化，并使負(fù)載維持在較為恒定的水平，在加工過程中隨時(shí)檢測電動機(jī)的電流來間接觀察切削力的變化。

在本項(xiàng)目開發(fā)中，采用速度方式控制伺服電動機(jī)，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)，減小伺服電動機(jī)的進(jìn)給速度；當(dāng)電流小于設(shè)定值時(shí)，增大伺服電動機(jī)的進(jìn)給速度。設(shè)定電流上限值，如果電流超過上限值，則停止加工。PLC通過監(jiān)測冷卻液壓力，在加工過程中判斷冷卻液是否停止輸出，當(dāng)冷卻泵出現(xiàn)問題，冷卻液壓力變小時(shí)，停止加工。

本課題PLC選用歐姆龍的CP1-XA40DT-D，內(nèi)置輸入24點(diǎn)/輸出16點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)器4軸、脈沖輸出4軸，內(nèi)置模擬電壓/電流輸入4點(diǎn)、模擬電壓/電流輸出2點(diǎn)，通過安裝選件板，可進(jìn)行RS232C通信或RS-422A/485通信。擴(kuò)展模塊為CP1W-20EDT。

1　鏜床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1主電路設(shè)計(jì)

圖2為深孔鏜床的主電路圖，主軸電動機(jī)由交流接觸器KM1-KM3控制，斷路器QF1閉合，使電路引入三相交流電源，KM1接通時(shí)，M2主軸潤滑泵電動機(jī)立即啟動，然后控制讓KM2閉合，把主軸電動機(jī)的定子繞組接成Y形，以降低啟動電壓，限制啟動電流；待主軸電動機(jī)具有一定轉(zhuǎn)速以后，即定時(shí)6 s以后，再使KM3閉合KM2斷開，把定子繞組接成△，使電動機(jī)進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài)。KM2和KM3形成聯(lián)鎖保護(hù)，保證電路正常運(yùn)行。閉合斷路器QF3使快速電動機(jī)回路通電，KM5和KM6控制快速電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，閉合KM5快速電動機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，再閉合KM6，此時(shí)，KM5接觸器主觸點(diǎn)自動斷開，形成聯(lián)鎖保護(hù)，快速電動機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行。圖3所示4臺冷卻泵電動機(jī)和一臺液壓泵電動機(jī)，只要使相應(yīng)的斷路器和交流接觸器閉合，便會自動運(yùn)行。

1.2控制電路設(shè)計(jì)

圖4為深孔型鏜床的控制部分電路圖，閉合二極保護(hù)開關(guān)QF17，變壓器通電，二次側(cè)出來的24 V交流電給機(jī)床照明燈供電，而220 V交流電則通過整流器整流后，給液壓站的4個電磁閥YV1～YV4供電，YV1由繼電器KA19控制，YV2由繼電器KA20控制，YV3由繼電器KA2控制，YV4由繼電器KA21控制；閉合二級保護(hù)開關(guān)QF21，變壓器工作，二次側(cè)容量為150 VA的交流電供電柜風(fēng)扇用電，容量為450 VA的交流電供主控制回路用電，主電動機(jī)正轉(zhuǎn)啟動由繼電器KA3、KA6(常閉)控制，主軸電動機(jī)的“Y”形和“△”形啟動由繼電器KA4、KA5和繼電器KM3、KM2控制，液壓泵電動機(jī)由繼電器KA18和KM11控制，冷卻液泵電動機(jī)由繼電器KA9和KM7-KM10控制，拖板電動機(jī)的快進(jìn)和快退由繼電器KA12、KA13和接觸器KM5、KM6控制。

圖5為伺服驅(qū)動器接線原理圖，三相電源直接接入一個斷路器QF11，然后經(jīng)過“Y-△”的三相變壓器后再接入自動三極開關(guān)QF12，經(jīng)QF12接入伺服驅(qū)動器的L1、L2、L3端口，伺服驅(qū)動器的U、V、W端口分別接伺服電動機(jī)的A、B、C三端。

表1輸入地址分配表

序號名稱地址1急停輸入KA300.002床頭按鈕站選擇SA250.013主軸電動機(jī)正轉(zhuǎn)沖動SB40.024拖板快速后退沖動SB50.035主軸電動機(jī)正轉(zhuǎn)啟動SB60.046主軸電動機(jī)正轉(zhuǎn)停止SB70.057拖板快進(jìn)SB80.068拖板快退SB90.079冷卻電動機(jī)啟動SB100.0810冷卻電動機(jī)停止SB110.0911液壓啟動SB120.1012液壓停止SB130.1113授油器夾緊SB141.0014授油器松開SB151.0115拖板進(jìn)給前進(jìn)SB161.0316拖板進(jìn)給停止SB171.0417拖板進(jìn)給后退SB181.0518拖板快速后退沖動SB211.0619拖板快速前進(jìn)沖動SB221.0720拖板按鈕站選擇SA261.0821主電動機(jī)保護(hù)QF11.0922冷卻保護(hù)QF4-QF71.1023伺服報(bào)警ALM1.1124拖板總停SQ12.0025手動/自動轉(zhuǎn)換SQ22.0126拖板前限位SQ32.0227拖板后限位SQ42.0328拖板過載保護(hù)SQ52.04

1.3PLC I/O控制設(shè)計(jì)

PLC I/O點(diǎn)輸入分配如表1所示，輸出分配如表2所示。

表2輸出地址分配表

序號名稱地址1授油器頂緊KA2100.002主軸電動機(jī)正轉(zhuǎn)啟動KA3100.013主軸電動機(jī)星形啟動KA4100.024主軸電動機(jī)三角形啟動KA5100.035主軸電動機(jī)制動KA6100.046冷卻電動機(jī)啟動KA7100.077拖板快速電動機(jī)前進(jìn)KA9101.008拖板快速電動機(jī)后退KA12101.019伺服報(bào)警復(fù)位KA13101.0210伺服正常KA14101.0311液壓泵啟動KA15101.0412授油器夾緊KA18101.0513授油器夾緊松開KA19101.0614授油器頂緊退回KA20101.0715報(bào)警指示燈HL2102.00

圖6為CP1-XA40DT-D的接線圖，圖7為擴(kuò)展模塊CP1W-20EDT接線圖。

1.4PLC模擬量輸入輸出設(shè)計(jì)

圖8為模擬量輸入部分電氣原理圖，模擬量輸入單元將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(4～20 mA)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入到PLC中的對應(yīng)存儲通道(200～202CH)中，然后PLC將信號在存儲器中的值給觸摸屏，就會在觸摸屏上顯示出液壓壓力、冷卻壓力、電流值。圖9為模擬量輸出部分電氣原理圖，模擬量輸出單元將指定的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(-10～10 V)給伺服驅(qū)動器，從而控制伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.5伺服電動機(jī)速度控制

之所以沒有采用PID控制，是因?yàn)樵谶M(jìn)行鏜孔加工時(shí)，刀具的進(jìn)給速度不能頻繁調(diào)整。實(shí)際開發(fā)中，帶死區(qū)的伺服電動機(jī)速度控制可以滿足鏜孔的要求，滿足了工藝要求，提高加工效率。使實(shí)際切削力一直處于選定的范圍內(nèi)。這種以電流為約束參數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)在應(yīng)用較多的以切削力為約束參數(shù)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)就是不必對原切削系統(tǒng)作較大的改動，不是直接建立負(fù)載的數(shù)學(xué)模型來求解負(fù)載，而是通過測量電動機(jī)電流來間接表征切削力的大小。這種間接測量的方法避免了傳統(tǒng)的建立負(fù)載數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性和不精確性，刀具的進(jìn)給速度能隨著電流的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使切削力在整個加工過程中保持相對的平穩(wěn)。因此該切削力自適應(yīng)控制方法一方面可以提高加工的質(zhì)量和效率，另一方面可以有效地保護(hù)刀具和機(jī)床，提高它們的使用壽命。

2　結(jié)語

本深孔鏜床電氣控制系統(tǒng)基于歐姆龍CP1H-XA40DT-D，特點(diǎn)是主軸電動機(jī)恒電流輸出，保護(hù)了刀具，提高了加工速度和生產(chǎn)效率、產(chǎn)品精度。加工時(shí)無冷卻液輸出，停止加工，保護(hù)刀具和工件，提高了鏜床可靠性。本課題所設(shè)計(jì)的電氣系統(tǒng)已經(jīng)在鏜床系統(tǒng)上使用，能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，人機(jī)界面友好，操作方便靈活。

[1]付保英，馬尚禎.基于PLC的T68鏜床控制系統(tǒng)的改造[J].煤礦機(jī)械，2014，35(3)：154-155.

[2]連晗.基于三菱FX2N的落地式鏜床的PLC技術(shù)改造[J].煤礦機(jī)械.2014，35(3)：151-153.

[3]李翠翠，龍斌.TPX619臥式數(shù)顯鏜床電氣控制系統(tǒng)的PLC改造[J].煤炭技術(shù)，2013，32(10)：24-25.

(編輯汪藝)

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Design of boring machine electrical control system based on Omron PLC

LEI Jun, LUO Min, WU Yuemin, LI Huiling, MEI Ye, MA Bin

(School of Electrical & Information Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, CHN)

Considering the factory actual situation, a electrical control system of deep hole boring machine that combine the relays, contactors and PLC control together is designed. Reliability and flexibility of the electric system are improved.

deep hole boring machine; PLC; electrical control system

TP273；TG53

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.032

雷鈞，男，1975年生，工學(xué)碩士，副教授，研究方向?yàn)楣I(yè)電氣自動化技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)等。

2016-04-12)

160843