數(shù)控機床主軸PLC控制仿真與實現(xiàn)

范華

摘?要：PLC（可編程邏輯控制）控制是數(shù)控機床控制電路中非常重要的組成部分之一，在設(shè)計或教學過程中由于受實驗條件、教學環(huán)境的限制很難去展開。采用Multisim12軟件的Ladder Diagrams模塊，以主軸正反轉(zhuǎn)控制為典型案例建立Multisim12電氣仿真模型，設(shè)計梯形圖通過設(shè)置電氣參數(shù)進行系統(tǒng)仿真，利用自有測試儀器觀察仿真結(jié)果，最后在真實機床XK5025上實現(xiàn)。該方法不需要大量的儀器設(shè)備，降低教學成本，同時可以現(xiàn)場模擬展示，人人動手，具有一定的普適性。

關(guān)鍵詞：Multisim12;PLC;數(shù)控機床;仿真

中圖分類號：G712?文獻標識碼：A ????文章編號：1992-7711（2018）23-066-3

數(shù)控機床是典型的機電一體化產(chǎn)品，數(shù)控裝置將加工程序的代碼信息經(jīng)運算處理后發(fā)出各種控制信號完成各軸控制運動[1]。其中PLC的作用是接收零件加工程序的開關(guān)功能信息（輔助功能M、主軸轉(zhuǎn)速功能S、刀具功能T）、機床操作面板上的開關(guān)量信號和機床側(cè)的開關(guān)量信號進行邏輯處理，完成輸出控制功能，實現(xiàn)各功能及操作方式的聯(lián)鎖。

數(shù)控機床是一個相對復雜的機電控制系統(tǒng)，成本較高，不可能大批量購置，在實驗實訓過程中很難實現(xiàn)人手一臺，而且在實驗實訓過程中學生不太熟悉，操作的盲目性會導致機床的硬件損壞、數(shù)據(jù)丟失等，鑒于以上原因，導致許多高校在教授PLC在數(shù)控機床上的應(yīng)用只能局限于書本教學或者許多學生扎堆在一、二臺機床上，教學效果不理想。目前也有許多專用的PLC編輯調(diào)試軟件，比如Fanuc數(shù)控系統(tǒng)FAPT Ladder III軟件可以編制梯形圖，只具有在線監(jiān)視和診斷功能[2]，但不能實現(xiàn)離線脫機仿真，仍然離不開機床硬件的支持。NI公司的Multisim12軟件具有繼電器和梯形圖功能仿真模塊，很好的解決書本知識與實驗實訓相脫節(jié)的難點問題，學生可以很方便地把學到的理論知識用計算機語言真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器測量仿真實驗的結(jié)果驗證設(shè)計的可行性，極大地提高了學習熱情和積極性，真正地從理論知識的灌輸?shù)嚼韺嵰惑w的轉(zhuǎn)變。

一、軟件介紹

Multisim12是美國國家儀器（National Instruments，簡稱NI）最近推出的用于電路設(shè)計和電子教學的交互式仿真軟件，不僅提供電子電路的虛擬仿真，而且可以實現(xiàn)LabView虛擬儀器、單片機仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard設(shè)計電路板等功能[3]。Multisim12主要的功能如下[4]：

（1）提供交互式仿真環(huán)境，用戶通過仿真結(jié)果理解電路的概念無須考慮應(yīng)用環(huán)境。

（2）具有22種與真實儀器相同功能的虛擬測量儀器和20個功能強大數(shù)據(jù)分析工具，便于實驗數(shù)據(jù)的測量與分析處理。

（3）通過VHDL語言、Ladder語言可以捕捉并仿真PLD（可編程邏輯設(shè)備）、PLC（可編程邏輯控制器）數(shù)字電路，很容易實現(xiàn)理論知識到真實實驗的過度。

（4）包含2萬多部件庫，有些部件具有交互式（如開關(guān)和電位計）、動畫效果（如LED和7段數(shù)碼管）、虛擬參數(shù)設(shè)置和3D效果的部件等。

目前Multisim12軟件絕大多數(shù)應(yīng)用在模擬電路和數(shù)字電路中，但在繼電器電路和PLC控制電路中的應(yīng)用相關(guān)研究較少。本文從Fanuc 0i系統(tǒng)的XK5025數(shù)控銑床的主軸正反轉(zhuǎn)控制為例，研究和探討Multisim12軟件在數(shù)控機床PLC控制中的應(yīng)用。

二、機床主軸正反轉(zhuǎn)PLC控制仿真

1.正反轉(zhuǎn)繼電器電路特點

主軸電機的正反轉(zhuǎn)是機床中最常見的控制功能，經(jīng)典的繼電器電路[5]，按下控制回路中SB2按鈕，交流接觸器KM1線圈接通，正轉(zhuǎn)回路中KM1常開輔助觸點吸合實現(xiàn)電路自鎖，反轉(zhuǎn)回路中KM1常閉輔助觸點斷開實現(xiàn)互鎖，同時主回路中KM1交流接觸器主觸點閉合，主軸電動機正轉(zhuǎn);同理按下SB3按鈕，KM2常開輔助觸點吸合自鎖，KM2常閉輔助觸點斷開互鎖，主回路中KM2主觸點閉合，主軸電動機反轉(zhuǎn)。按下SB1停止按鈕斷開控制回路，主軸電機停轉(zhuǎn)。

由于繼電器電路線路復雜，觸點多，故障率高，調(diào)試、修改不方便等原因，目前在數(shù)控機床上逐漸被PLC控制電路所取代，繼電器電路中的大量的中間繼電器、時間繼電器、計時器等被PLC中的語句表、梯形圖等所替代，線路大大簡化，抗干擾能力強，設(shè)計、修改靈活方便。

在FAPT Ladder III軟件中梯形圖只能通過RS232C串口與機床數(shù)控系統(tǒng)連接實現(xiàn)在線監(jiān)控和調(diào)試，無法通過軟件本身驗證梯形圖編寫是否正確性，在實驗實訓中學生沒有更加形象、直觀的印象。NI公司的Multisim12軟件具有Ladder Diagrams模塊，理解PLC順序控制的原理就能實現(xiàn)PLC梯形圖的仿真模擬，上手容易吸收快。

2.交流接觸器子模塊的建立

在Multisim12中沒有現(xiàn)成的交流接觸器模塊，文獻[3][6]采用ElectroMechanical庫中的延時繼電器TIMEDCONTACTS構(gòu)建，但是仿真時總有一個時間延時;文獻[4][7]采用COILS_RELAYS中的MOTOR_4A構(gòu)建，輸入輸出接口太多，仿真時不穩(wěn)定。本文采用基本元件庫BASIC中的RELAY來構(gòu)建，簡單易實現(xiàn)。為了系統(tǒng)顯示更加簡潔，可以建立子模塊，方法是選中各元器件鼠標右鍵通過“Replace by subcircuit”來建立子模塊，子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，子模塊封裝，A、A1分別是接觸器控制回路線圈的輸入、輸出端子，x、x1，y、y1，z、z1分別是交流接觸器主觸點的輸入、輸出端子。為了便于線路的連接，可通過右擊封裝Edit symbol / title block布置子模塊引腳的位置。

3.PLC控制正反轉(zhuǎn)仿真模型的建立

根據(jù)繼電器電路的原理圖建立基于Multisim12的PLC控制正反轉(zhuǎn)仿真模型。（a）圖中主回路電源采用380V 50HZ的Y型三相交流電源，QF1為主回路斷路器，KMF、KMR分別為主回路中控制正、反轉(zhuǎn)的交流接觸器，R1、R2、R3為三個可變電阻器，分別模擬電動機的三相負載[4]?？刂苹芈分蠸B1、SB2、SB3分別為停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕，U1、U2分別為PLC的I/O模塊，為了直觀反映電機的工作狀態(tài)，采用探針x11、x12、x13亮滅分別顯示電動機停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。（b）圖中x1、x2、x3分別為停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕對應(yīng)觸點的狀態(tài)，Y1、Y2、Y3分別為停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)輸出線圈狀態(tài)。

4.PLC控制正反轉(zhuǎn)模型的仿真

點擊“Run（F5）”開始仿真：

（1）探針x11、x12、x13都不亮，示波器XSC1有電源輸入信號，如圖5所示，示波器XSC2無輸出波形;

（2）按下按鈕SB2，觸點x2閉合，中間繼電器線圈M6接通后x5自鎖，且輸出線圈Y1接通，電源探針x1（紅色）燈亮，同時輸出線圈Y2、Y4接通，Y4控制交流接觸器KMF閉合主軸電機開始正轉(zhuǎn)，Y2控制正轉(zhuǎn)探針x12（綠色）燈亮;

（3）此時按下按鈕SB3，觸點x3閉合，但是常閉觸點M2在正轉(zhuǎn)時斷開的，故反轉(zhuǎn)被互鎖。

（4）按下按鈕SB1，觸點x1斷開，中間繼電器觸點x2被解鎖，M6、Y2、Y4被線圈切斷，電源探針x1熄滅，交流接觸器KMF斷開，主軸電動機停止。

（5）按下按鈕SB3，觸點x3閉合，中間繼電器線圈M7接通后x7自鎖，且輸出線圈Y1接通，電源探針x1點亮，同時輸出線圈Y3、Y5接通，Y5控制交流接觸器KMR閉合主軸電機開始反轉(zhuǎn)，Y3控制反轉(zhuǎn)探針x13（藍色）燈亮;

（6）此時若按按鈕SB2，觸點x2接通，但常閉觸點x4被互鎖斷開，正轉(zhuǎn)無法接通。

仿真過程中電動機的三相輸入波形如圖6所示，從圖中可以看出，正、反轉(zhuǎn)的波形相序相反（粉色、綠色兩相相序相反），仿真的過程與真實電路的工作過程相一致。

三、PLC控制正反轉(zhuǎn)在數(shù)控機床主軸上的實現(xiàn)

在自主改造的數(shù)控銑床XK5025，數(shù)控裝置采用日本FANUC 0i系統(tǒng)，具有內(nèi)裝式PLC，驅(qū)動裝置采用西門子MICROMASTER 420變頻器，原理圖如圖7所示。中間繼電器觸點KA3、KA4分別控制主軸電動機正、反轉(zhuǎn)，中間繼電器線圈KA3、KA4在PLC輸出回路中，如圖8所示。梯形圖如圖9所示，X10.3、X10.1、X10.0分別為主軸正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn)按鍵，

Y30、Y3.1分別是電動機主軸正反轉(zhuǎn)線圈，SFRA、SRVA是CW、CCW指令信號，Y7.5、Y6.4為電機正反轉(zhuǎn)指示燈，經(jīng)調(diào)試，滿足數(shù)控銑床正反轉(zhuǎn)控制的要求。

四、結(jié)論

通過Multisim軟件對數(shù)控機床PLC控制電路的仿真，驗證方案設(shè)計的可行性，縮短在線調(diào)試的周期，同時在教學過程中可以離線仿真，節(jié)約教學投入成本，教學組織容易實施，避免初學者不熟悉導致硬件平臺的損壞，另外Multisim是基于Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）電路仿真軟件，提供非常逼真的測試儀器儀表，比如探針、安捷倫（Agilent）示波器、泰克（Tektronix）示波器等，仿真形象、直觀，學生上手容易，經(jīng)過一年多的教學實踐，學生反映效果良好。

[參考文獻]

[1]王侃夫主編.數(shù)控機床控制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007（08）.

[2]BEIJINGFANUC PMC PA1/SA1/SA3 梯形圖語言編程說明書[Z]，BEIJINGFANUC，2003.

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[4]聶典，李北雁等編著.基于NI Multisim 11的PLC/PIC/PLC的仿真設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011（04）.

[5]張錚主編.機電控制與PLC[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008（01）.

[6]王晗.基于Multisim10的三相電機正反轉(zhuǎn)控制仿真實驗[J].實驗科學與技術(shù)，2009，10（20）.

[7]萬琰，謝海良.基于Multisim10的電機正反轉(zhuǎn)控制電路的設(shè)計與仿真[J].漯河職業(yè)技術(shù)學院學報，2009，9（8）.