基于PLC的數(shù)控機床刀架控制系統(tǒng)改造

康永澤

摘要：本文擬就FANUC 0i-F數(shù)控實訓臺中四方位回轉(zhuǎn)刀架，通過外部三菱PLC的控制，介紹刀架的工作原理，同時也可提高工程技術(shù)人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時間。

關鍵詞：PLC;電動刀架;主軸

1 ?問題的提出

數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種較為簡單的自動換刀裝置，也是數(shù)控車床重要的組成部分，其應用了自動控制、傳感檢測等方面的最新技術(shù)，是典型的機電一體化產(chǎn)品。合理選配電動刀架，并正確地實施控制，能夠縮短故障排除時間，有效地提高生產(chǎn)效率。

根據(jù)不同加工對象，自動回轉(zhuǎn)刀架有四方刀架和六角刀架等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。目前刀架的控制，都是由CNC內(nèi)置PLC或固化IO控制完成，工程技術(shù)人員理解刀架的控制比較困難，本文擬就FANUC 0i-TF數(shù)控實訓臺中四方位回轉(zhuǎn)刀架，通過外部三菱PLC的控制，介紹刀架的工作原理，同時也可提高工程技術(shù)人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時間。

數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架動作的要求是：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動作要求，要有相應的機構(gòu)來實現(xiàn)。

2 ?刀架的控制

2.1 自動刀架工作原理

①刀架電動機正轉(zhuǎn)，刀架抬起。正轉(zhuǎn)時，電動機回轉(zhuǎn)運動通過蝸桿蝸輪機構(gòu)，轉(zhuǎn)化為直線運動，刀架體向上移動。即刀架電動機正轉(zhuǎn)時，通過蝸桿和蝸輪機構(gòu)將驅(qū)動傳給絲杠，絲杠軸頭固定裝有刀架轉(zhuǎn)位定位銷盤，刀架體內(nèi)孔加工有內(nèi)螺紋，隨著絲杠轉(zhuǎn)動，刀架體內(nèi)彈簧定位銷入位，刀架體向上移動，刀架向上抬起。當?shù)都荏w升至一定距離后，刀架體上的端面齒和刀架底座上的端面齒脫開。當嚙合齒脫開后，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠螺母轉(zhuǎn)動進行換刀。隨著刀架的轉(zhuǎn)動，刀架體內(nèi)刀位定位銷退出。

②刀架電動機正轉(zhuǎn)尋位。刀架正轉(zhuǎn)進行尋位換刀，PLC采集霍爾傳感器信號，與選定刀號比對，若傳感器信號與刀號相等，則刀架停止尋位，即正轉(zhuǎn)停止。

③電動機反轉(zhuǎn)，刀架鎖緊。到達指定刀位時，刀架電動機停止正轉(zhuǎn)，反向鎖緊，完成整個換刀的過程。

2.2 四方電動刀架的控制

四方電動刀架電動機在電氣控制設計時要正、反轉(zhuǎn)互鎖，電器元件連接時勿接錯導線，還要注意電動機三相電源線的相序，實際中可采用相序繼電器進行判斷。刀架電動機在換刀時必須先正轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)，這是由四方電動刀架機械結(jié)構(gòu)所決定的，否則會機械卡死，造成電動機過載，損壞電動機。在PLC程序設計中，若到位檢測信號出現(xiàn)問題，或霍爾元件損壞、刀位信號線斷等，則換刀可能不能結(jié)束，若正轉(zhuǎn)或鎖緊時間過長，PLC應有相應出錯處理程序，提醒操作人員進行檢修。電動刀架控制原理圖見圖1，接線圖見圖2。

3  主軸的控制

在實訓臺改造過程中，我們充分利用現(xiàn)有設備，綜合考慮學生實際，采用變頻器實現(xiàn)對主軸的調(diào)速控制。變頻器連接示意圖見圖3。

主軸電動機采用西門子MM420變頻器進行調(diào)速控制，MM420系列有著高性能的V/f控制性能，可提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具有很強的過載能力，以滿足多種應用場合。使用變頻器前，須先熟悉變頻器的操作面板，再根據(jù)實際應用場景，對變頻器的各種功能參數(shù)進行設置。

電機正反轉(zhuǎn)的控制方式可以有二種，一種是面板控制，一種是開關量端子控制，兩種控制方式不同，參數(shù)設置也不同。參數(shù)設置時應先恢復出廠值，再設電機參數(shù)。

面板控制法主要參數(shù)設置：設p1000設為2，開關量端子不接線，由變頻器面板控制電機的正反轉(zhuǎn)。

開關量端子控制主要參數(shù)設置：變頻器5、6、7、8為開關量端子。設p1000設為2，開關量端子5接正轉(zhuǎn)控制信號、端子6接反轉(zhuǎn)信號時，再設p0701為1，端子5上高電平電機正轉(zhuǎn)，低電平停機。設p0702為2，端子6上高電平電機反轉(zhuǎn)，低電平停機。后期根據(jù)學生的掌握情況，利用PLC拓展為多段速控制。

變頻器MM420主要參數(shù)設置如表1所示。

注意事項：①接線后一定要參考手冊，認真復查，以防接線錯誤而燒壞變頻器，尤其是主電源線路;②在接線時，擰緊變頻器內(nèi)部力不要過大，以防損壞端子;③送電和停電過程中一定要注意安全，特別是停電過程中，一定要讓變頻器充分放電，LED全部熄滅才能打開蓋板，等待5min以上;④在輸入變頻器參數(shù)時，一定要確認，以免發(fā)生錯誤;⑤由于變頻器可以切換電機正反轉(zhuǎn)，所以必須注意使用的安全。在正/反轉(zhuǎn)切換時，根據(jù)電機功率和工作環(huán)境調(diào)整加減速時間。

更改P1040和P1058、P1059的值，可改變電動機正常運行速度和正、反向點動運行速度。另外，為了檢測主軸電動機的轉(zhuǎn)速，可采用編碼器，其接線為圖4所示。

PLC通過高速計數(shù)器采集來自旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，由程序計算主軸電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對主軸電動機轉(zhuǎn)速的精確控制。

4 ?PLC控制程序

①刀架正反轉(zhuǎn)控制梯形圖如圖5。②當前刀號判定如圖6。③手動選刀控制如圖7。④主軸速度檢測。主軸速度檢測采用ZSW610-01C-1200BZ/05L型旋轉(zhuǎn)編碼器。利用PLC的X0、X1端子，采集旋轉(zhuǎn)編碼器A、B兩相高速脈沖數(shù)，通過浮點計算，可以較為精確地計算出FANUC 0I-TF數(shù)控車床裝調(diào)系統(tǒng)主軸速度。⑤觸摸屏控制。本系統(tǒng)改造裝置，選用昆侖通泰MCGSTPC1061Ti觸摸屏，方便學生操作，更加緊密聯(lián)系實踐應用，其畫面示意圖見圖8。

5 ?結(jié)束語

通過對實訓裝置的改造，將其內(nèi)置PLC控制系統(tǒng)剝離，學生在實訓中能靈活控制刀架的運動，改造后的裝置，功能多樣化，可以有效鍛煉學生電氣選型接線、PLC編程思維等綜合能力，對于機電一體化及相關專業(yè)的學生，通過訓練，技術(shù)技能得到顯著提升。

參考文獻：

[1]朱興偉，蔣洪平.數(shù)控車削加工技術(shù)與技能（FANUC系統(tǒng)）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[2]曹菁.三菱PLC觸摸屏和變頻器應用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]羅敏.FANUC數(shù)控系統(tǒng)PMC編程從入門到精通[M].北京：化學工業(yè)出版社，2020.