摘要：根據(jù)立式車床的工作特點以及實際工作需要，基于PLC設計了立式車床各系統(tǒng)，分析了立式車床的自動化控制過程。實踐證明，基于PLC的立式車床控制系統(tǒng)提高了工件的加工精度，降低了企業(yè)加工成本。

關鍵詞：立式車床;繼電器控制;PLC

0 引言

PLC即可編程控制器，是一種以微電子技術作為理論基礎的工業(yè)控制裝置[1]。相較于傳統(tǒng)的繼電器控制方法，PLC控制有如下優(yōu)點：（1）PLC沒有連接觸點，使用壽命較長，具有程序自我檢測和診斷功能，保證工作的可靠性;（2）不同于傳統(tǒng)的并行工作模式，采用串行接口，不會受到其他系統(tǒng)干擾;（3）不同于傳統(tǒng)的硬接線方式，采用軟接線方式，通過編寫程序實現(xiàn)自動化控制和功能添加的目的;（4）PLC電路一般內置有計時芯片，通過晶體震蕩產生脈沖進行計時，具有較為精確的自動計時方式，且不會受到外界影響。

1 立式車床整體設計方案

1.1 ? ?機械系統(tǒng)設計

本文設計的立式車床主要用于軸類、盤類等工件的自動加工，需要實現(xiàn)的功能包括主軸變速和制動、刀架自動轉換、進刀方向和進刀速度自動調整、橫梁自動控制等，對比人工加工方式，具有更高的加工精度，操作方法和保養(yǎng)流程較為簡單。

主軸傳動和控制設計。主軸傳動動力來源有兩種：一是采用交流主軸電動機，二是采用直流主軸電動機。交流主軸電動機的控制精度和自動控制能力均優(yōu)于直流電機，但是在電機處于較低轉速時會出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的問題。直流電動機具有良好的工作穩(wěn)定性，但是控制精度不夠理想。因此，直流伺服電動機是一個理想的選擇，直流伺服電動機具有良好的機械線性控制功能，可以作為車床主軸傳動的動力來源[2]。在主軸傳動系統(tǒng)中加入編碼器，可實現(xiàn)對主軸轉速和轉向的自動控制，同時，安裝的同步齒形傳動皮帶，可實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的反饋控制。

絲杠設計。常規(guī)的傳動絲杠用于手動車床，在車床啟動加工過程中，絲杠的穩(wěn)定性對于工件加工的精度影響較大，所以傳動絲杠對于數(shù)控車床并不適用。本文設計絲杠時，采用滾珠結構，滾珠絲杠具有極佳的耐磨損性能，工作可靠性高，使用壽命長[3]，在車床啟動過程中不會發(fā)生較大的上下振動，加工過程平穩(wěn)。

1.2 ? ?電氣系統(tǒng)設計

電氣系統(tǒng)設計需要實現(xiàn)的功能包括對車床各種電路元件的連通和斷開控制、電路的過載保護、電動機的智能控制等。電氣系統(tǒng)需要控制的電動機包括液壓泵電動機、主軸電動機、垂直刀架位移電動機、側刀架位移電動機、橫梁位移電動機。

主控制電路設計。主控制電路是實現(xiàn)車床自動化控制的重要部分，主控制電路元件主要包括熔斷器、電路開關、交流接觸器、低壓斷路器、繼電器等。主控制電路實現(xiàn)對各種電動機、冷卻泵、冷卻風扇、變壓器等的過載保護和通斷控制。

能耗制動電路設計[4]。這是本文電氣系統(tǒng)設計的一大特色，不采用直接斷開電動機電路的方法進行制動，直接斷開電路，電動機會由于轉動慣性繼續(xù)轉動一段時間，這對于工件的加工精度具有較大影響。能耗制動是通過將交流電切換到直流電，使電動機反轉，利用慣性產生制動力矩實現(xiàn)對電動機的精確制動。能耗制動電路的設計，可以使電動機即開即停，從而提高工件加工精度。

1.3 ? ?控制系統(tǒng)設計

根據(jù)需要，立式車床將控制系統(tǒng)分成4個模塊：編程模塊、編譯模塊、執(zhí)行模塊、通信模塊。編程模塊具有圖形庫管理、梯形圖編輯、指令語句編輯功能;編譯模塊具有指令表管理以及梯形圖編譯功能;執(zhí)行模塊具有程序指令的檢查執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的輸出功能;通信模塊具有編程結果的讀取以及數(shù)據(jù)輸出的控制功能。

2 自動化控制過程分析

2.1 ? ?控制流程分析

在立式車床開始啟動后，會優(yōu)先啟動橫梁控制系統(tǒng)。首先，橫梁進行上下移動調整放置工件的位置，此時橫梁的夾緊機構放松，當工件擺放位置正確時，夾緊機構固定工件并進行下一步操作，開始刀架的控制流程。刀架控制流程中，先選擇使用垂直刀架或者側刀架，選擇完畢后，刀架執(zhí)行快速進刀調整工作，調整刀具與工件的相對位置，確定進刀速度和進刀方向。最后進入主軸的控制流程，此過程中先對主軸變速進行測試，測試成功后對主軸制動進行檢查，并對主軸點動進行調整，之后就可以進行工件加工工作。

2.2 ? ?PLC硬件電路設計

2.2.1 ? ?能耗制動控制電路

能耗制動控制電路包括的電子元件有主接觸器KM1、能耗制動接觸器KM2、連通開關K1/K2、時間繼電器KT、熱繼電器FR、電動機M。能耗制動控制電路的控制過程如下：首先連通開關K1接通，主接觸器KM1線圈通電，電流經過熱繼電器FR，電機進入正常工作狀態(tài)。斷開連通開關K2，主接觸器KM1線圈斷電，主電路切斷，能耗制動接觸器KM2和時間繼電器KT進入工作狀態(tài)，此時電動機是直流供電狀態(tài)并且轉速較低，經過極短的時間電動機停止工作，斷開能耗制動電路，能耗制動接觸器和時間繼電器均停止工作。

2.2.2 ? ?啟動控制電路

本文設計的啟動控制電路是星三角控制電路，是一種低壓啟動控制電路，這種啟動方式可以降低設備漏電風險。為了實現(xiàn)對車床的低電壓啟動控制，需要選擇的電子元件包括啟動開關QF、熔斷器、接觸器KM、三角形接觸器KM1、星形接觸器KM2、驅動電動機M、隔離開關K1/K2。啟動控制電路圖如圖1所示，連接開關QF，KM和KM△線圈通電，KM△-1和KM△-2閉合，電動機線圈為星形接法（星形接法是指電機繞組三相末端接在一起），KM△-3斷開，KM△和KMY處于互鎖狀態(tài)，KM-1閉合互鎖裝置，KM-2閉合，電機線圈從星形接法開始轉變成三角形接法，KM-3閉合電機開始運轉，此時電動機依然為星形連接狀態(tài)。時間繼電器KT的延時時間到達后觸點開關斷開，KM1線圈斷電，KM△-1和KM△-2斷開，KM△-3閉合，此時KMY線圈通電，KMY-1斷開，時間繼電器線圈斷電，KMY-2斷開，保證KM△處于自鎖狀態(tài)，KMY-3閉合，電動機線圈為三角形連接狀態(tài)，電動機需要停止工作時，按下隔離開關SB2才能使所有線圈斷電。

3 結語

本文根據(jù)立式車床的工作特點以及實際工作需要，設計了全新的PLC控制電路，取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，不僅提高了工件的加工質量和加工效率，而且避免了加工過程中出現(xiàn)人為誤差，該控制方式具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1] 皮坤，劉洪具，王合寬.基于PLC的冶金起重機安全遠程集控管理系統(tǒng)[J].通訊世界，2020，27（7）：191-192.

[2] 張小紅，曹英健.航天電液伺服系統(tǒng)直流無刷電機控制驅動策略研究[J].液壓氣動與密封，2020，40（3）：27-31.

[3] 李帥，馮春花，白國振，等.滾珠絲桿伺服進給系統(tǒng)的聯(lián)合仿真與試驗[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2020，58（6）：12-15.

[4] 任相強.伺服驅動器能耗制動熱過載保護方法[J].國外電子測量技術，2018，37（8）：90-94.

收稿日期：2020-08-21

作者簡介：黃爽（1976—），女，浙江臺州人，碩士，講師，研究方向：機電設計及控制。