基于自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)研究＊

展明星

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西自治區(qū)柳州545616）

傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備自動(dòng)化程度低，但在許多中小企業(yè)還是主要設(shè)備，受投入成本限制，不能及時(shí)更新?lián)Q代。廣西的制造業(yè)中小微企業(yè)眾多，其發(fā)展除設(shè)備更新，人才的培養(yǎng)也是重要一環(huán)。本課題是基于自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的需要及滿足小企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化改造的需要，是在機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備繼電控制的基礎(chǔ)上，加裝控制器、變頻裝置及顯示裝置進(jìn)行配置改造，減少繼電元器件和線路的使用，滿足智能制造技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的需要，提高生產(chǎn)設(shè)備的能效?，F(xiàn)以用于磨具加工的銑床為例說(shuō)明方案和特點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化點(diǎn)：

1 銑床拖動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制系統(tǒng)特點(diǎn)

控制銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，它拖動(dòng)主軸帶動(dòng)銑刀給進(jìn)給的工件銑削加工，有順銑和逆銑兩個(gè)方向。老設(shè)備使用倒順開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，使用時(shí)需要停車換向，極為不便。工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)升降臺(tái)及工作臺(tái)進(jìn)給，有用于圓形弧形加工的特制工作臺(tái)進(jìn)給，有通過(guò)操作手柄完成的上下左右前后的六個(gè)方向進(jìn)給。

1.1 繼電控制原理

1.1.1 主運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制

由倒順開(kāi)關(guān)SA3控制主電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向，由于銑床體積大，其控制采用了多地控制的方式，在不同的部位分別設(shè)置了啟動(dòng)按鈕和停止按鈕以及緊急剎車用的開(kāi)關(guān)，以應(yīng)對(duì)加工、變速、換刀等作業(yè)需要。

1.1.2 主軸換銑刀控制

銑刀是根據(jù)制造磨具的需要選擇，銑刀形狀多，也有直接加工的圓形銑刀。需要換銑刀時(shí)，為了避免主軸空動(dòng)，也為了避免影響工效，應(yīng)將主軸快速制動(dòng)，同時(shí)切斷控制線路。方法是將開(kāi)關(guān)SA1扳到制動(dòng)位置，接通制動(dòng)電磁離合器，同時(shí)切斷控制電路防止接觸器誤動(dòng)。

1.1.3 主軸變速系統(tǒng)的改造

加工過(guò)程中的速度選擇采用了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)變速方式，體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易引起機(jī)械故障。應(yīng)用變頻器進(jìn)行主電動(dòng)機(jī)輸出速度控制更方便高效，變頻器的應(yīng)用是機(jī)械設(shè)備結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)的平臺(tái)，同時(shí)給多學(xué)科實(shí)踐應(yīng)用，還能很好地實(shí)現(xiàn)不同課程融合。

1.2 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)原理

工件的移動(dòng)分別在兩種狀態(tài)進(jìn)行，一種是在銑削狀態(tài)，即主軸電動(dòng)機(jī)對(duì)磨具正在銑削時(shí)，工件變速緩慢移動(dòng)，進(jìn)給電機(jī)配合加工。二是快速移動(dòng)狀態(tài)，屬于非加工時(shí)段，工件移動(dòng)速度較快，節(jié)約時(shí)間，提高效率。

1.2.1 附加工作臺(tái)

附加的工作臺(tái)是擴(kuò)大加工類型，滿足異形零件的加工要求。使用附加工作臺(tái)專用開(kāi)關(guān)連接，將開(kāi)關(guān)SA2扳到“接通”位置，則金屬觸頭閉合，在啟動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)的同時(shí)，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)變更為單向控制運(yùn)行。改造后由控制器輸出端向變頻器發(fā)出指令，完成對(duì)附加工作臺(tái)的控制。

1.2.2 升降臺(tái)和操作手柄的配合

直線型的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由左右進(jìn)給操作手柄控制。直線型的加工一般有六個(gè)方向，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作人員必須非常熟練，多個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械構(gòu)造也較為嚴(yán)密，電氣線路也很復(fù)雜，通常故障多，處理困難，修理工時(shí)也長(zhǎng)，需要停工檢修，影響了生產(chǎn)。以加工傾斜面為例，手柄壓下行程開(kāi)關(guān)SQ5（右）或SQ6（左），使開(kāi)關(guān)的金屬觸頭分?jǐn)?，另一觸頭SQ5（右）或SQ6（右）閉合，控制器給出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)M2正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。由于機(jī)械聯(lián)動(dòng)的作用在手柄完成對(duì)行程開(kāi)關(guān)SQ5或SQ6被壓合，同時(shí)，通過(guò)機(jī)械桿件的作用已將電動(dòng)機(jī)M2的傳動(dòng)鏈與工作臺(tái)下面的左右進(jìn)給絲杠相搭合，所以電動(dòng)機(jī)M2的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)就拖動(dòng)工作臺(tái)向左或向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)升降臺(tái)也在不斷升降。

1.2.3 工作臺(tái)的上前和下后方向控制

工作臺(tái)的上前和下后進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)手柄控制的，可以在加工螺旋面時(shí)使用。該手柄與行程開(kāi)關(guān)SQ3和SQ4聯(lián)動(dòng)，選擇不同位置觸碰開(kāi)關(guān)不同，與SQ3和SQ4無(wú)觸碰壓合時(shí)，停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。改造后電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向由變頻器信號(hào)控制，行程開(kāi)關(guān)觸頭信號(hào)接入控制器輸入端，控制器輸出信號(hào)給變頻器作為特征信號(hào)。

1.2.4 進(jìn)給的多種速度選擇

和主軸變速類似，進(jìn)給變速時(shí)也不再使用變速盤，而使用第二臺(tái)變頻器進(jìn)行控制。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，要根據(jù)磨具的材料來(lái)決定，所加工的工藝復(fù)雜程度不同，速度選擇不同。通過(guò)對(duì)不同的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)給的速度靈活變換，提高加工精度，減少?gòu)U品率。

1.3 工件的快速移動(dòng)

為了節(jié)省工時(shí)，銑床在磨具加工過(guò)程中，設(shè)置了兩個(gè)工作狀態(tài)，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制區(qū)分銑削狀態(tài)還是快速移動(dòng)狀態(tài)。如果是快速移動(dòng)時(shí)必須確認(rèn)銑削開(kāi)關(guān)處于關(guān)斷，同時(shí)控制器必須給出相應(yīng)信號(hào)，接通離合器，還要鎖住主軸控制電路。銑削狀態(tài)下，即使銑刀不再轉(zhuǎn)動(dòng)，也不能進(jìn)行工件的快速移動(dòng)。為確保安全，控制器兩種狀態(tài)輸出進(jìn)行互鎖，即電磁離合器YC2失電，將齒輪傳動(dòng)鏈與進(jìn)給絲杠分離；KM5閉合接入控制器信號(hào)，一對(duì)使電磁離合器YC3得電，將電動(dòng)機(jī)M3與進(jìn)給絲杠直接搭合；另一對(duì)使接觸器KM3得電動(dòng)作向變頻器發(fā)送信號(hào)，電動(dòng)機(jī)可沿不同方向快速移動(dòng)。

2 現(xiàn)代電氣改造方案

根據(jù)智能制造的設(shè)備需要，提高機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用程度，系統(tǒng)改造拆除了大部分繼電線路，通過(guò)可編程控制器和變頻器的使用同時(shí)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，使用觸摸屏界面進(jìn)行操縱、拆除變速齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的教學(xué)部件，用變頻器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)多段速控制，取代了原來(lái)的十種速度加工和進(jìn)給。

2.1 銑削加工控制

使用控制器輸出信號(hào)通過(guò)接觸器主觸點(diǎn)對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，通過(guò)人機(jī)交互界面MCGS（TPC7062K）觸摸屏向控制器輸送操作信號(hào)，完成主軸電動(dòng)機(jī)控制。PLC輸入輸出均有必要的聯(lián)鎖和保護(hù)。

2.2 主軸電動(dòng)機(jī)變速

使用變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電動(dòng)機(jī)的多段速控制，取代大小齒輪變速控制，可以減少機(jī)械故障。而變速加工是為了適應(yīng)磨具的不同材質(zhì)對(duì)加工工藝的要求，提高磨具表面精度和光潔度。

2.3 進(jìn)給控制的改造

2.3.1 擴(kuò)大加工范圍的改造

使用PLC及觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)KM3的控制，輸入端由SA2向控制器輸入信號(hào)進(jìn)行圓形和弧形加工，輸出端是KM3，對(duì)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)一個(gè)方向的運(yùn)行控制，適用于磨具圓形面的加工。

2.3.2 六個(gè)方向的進(jìn)給控制的實(shí)現(xiàn)

使用PLC和觸摸屏完成六個(gè)方向的進(jìn)給控制，輸入信號(hào)分別為SQ3、SQ4、SQ5、SQ6，輸出信號(hào)為KM3、KM4，通過(guò)KM3、KM4吸合實(shí)現(xiàn)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，再配合升降臺(tái)的機(jī)械操作完成六個(gè)方向的進(jìn)給。

2.3.3 工件的快速移動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

工件的快速移動(dòng)是通過(guò)輸入信號(hào)SB3給控制器，控制器輸出端接KM3，使用PLC對(duì)KM3控制，再配合六個(gè)方向的進(jìn)給控制，完成工件的快速移動(dòng)。

2.3.4 進(jìn)給的變速

使用變頻器窗口完成進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的多種速度參數(shù)輸入，通過(guò)變頻器參數(shù)的選擇，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的多段速控制。

2.3.5 擴(kuò)展功能

在觸摸屏界面設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)窗口可以完成技術(shù)參數(shù)的選定，用來(lái)進(jìn)行拖動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造主要是為了滿足智能制造技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求，需要增加的硬件設(shè)備有：控制器及附屬設(shè)備、變頻器及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、觸摸屏，還能擴(kuò)展加裝各類電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，X62W銑床智能實(shí)訓(xùn)考核單元，該系統(tǒng)可以進(jìn)行多學(xué)科實(shí)踐教學(xué)和考核。

3.1 系統(tǒng)設(shè)備框圖

硬件系統(tǒng)包括：電動(dòng)機(jī)和離合器電路、控制器環(huán)節(jié)、組態(tài)技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)、E740變頻器調(diào)速環(huán)節(jié)，如圖1所示：

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 可拆卸的銑床接觸器控制板

本設(shè)計(jì)為了進(jìn)行操作項(xiàng)目考試，將接觸器及指示電路做成可拆卸方式考核單元，只要修改參數(shù)和改變連接線路就可以共用主柜，用于多個(gè)機(jī)床控制電路的考核。

3.3 電動(dòng)機(jī)電路設(shè)計(jì)

由于使用了變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)速度控制，滿足加工變速的要求，電動(dòng)機(jī)連接電路如下，離合器作為電動(dòng)機(jī)電路的一部分，單獨(dú)使用直流電控制，如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括控制器設(shè)計(jì)、組態(tài)設(shè)計(jì)、變頻器參數(shù)設(shè)定等內(nèi)容，這部分可以做為學(xué)生進(jìn)行相關(guān)課程實(shí)踐的窗口。

4.1 PLC輸入輸出分配表

可編程控制器采用三菱端子分配如下表1所示：

表1 三菱PLC端子分配表

4.2 電氣原理圖

采用的三菱FX3U-64MRPLC控制電路圖如圖3所示，PLC主控連接主軸變頻器和進(jìn)給變頻器，電源端連接220V電壓。

圖3 PLC控制電路圖

4.3 觸摸屏主界面設(shè)計(jì)

觸摸屏作為人機(jī)交互的主要方式，作用是為操作者提供合理化的使用界面，自動(dòng)化技術(shù)的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)觸摸屏主界面如圖4所示，它將主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻泵電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)清晰地展示出來(lái)，通過(guò)操作按鍵進(jìn)行單獨(dú)控制。

圖4 觸摸屏主界面

4.4 變頻器設(shè)計(jì)

變頻器設(shè)計(jì)主要是提供學(xué)生進(jìn)行變頻器技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐訓(xùn)練的窗口，是通過(guò)變頻器電路連接與參數(shù)設(shè)置，完成電動(dòng)機(jī)多段速控制電路實(shí)踐訓(xùn)練，同時(shí)它又是機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的重要部分。

（1）選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)定來(lái)確定控制模式。根據(jù)所使用的電機(jī)，在主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定，在電機(jī)容量中設(shè)定所使用電機(jī)的容量（功率）、極數(shù)。

（2）計(jì)算運(yùn)行速度，并通過(guò)接點(diǎn)端子來(lái)切換速度時(shí)使用。用接點(diǎn)信號(hào)（高速信號(hào)、中速信號(hào)、低速信號(hào)、REX信號(hào)）的1、0操作即可以選擇各個(gè)速度。多段速控制如下圖5所示：

圖5 多段速控制

（3）點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)設(shè)定點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行用的頻率和完成加減速時(shí)間核查。點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行通過(guò)機(jī)械觸頭控制?？梢杂糜跈C(jī)械的位置調(diào)整和試運(yùn)行等。

4.5 電動(dòng)機(jī)在觸摸屏窗口的參數(shù)設(shè)定

通過(guò)觸摸屏的電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)窗口輸入電動(dòng)機(jī)類型、規(guī)格等數(shù)據(jù)，學(xué)生通過(guò)這個(gè)窗口了解電機(jī)的參數(shù)選擇方法。

4.6 改造裝置的多學(xué)科實(shí)踐教學(xué)和考核設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含了多門課程的綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，目前已經(jīng)可以進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練的課程包括電氣控制技術(shù)應(yīng)用、PLC編程實(shí)踐、變頻器技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐、電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)實(shí)踐、組態(tài)應(yīng)用實(shí)踐。同時(shí)還對(duì)銑床的電氣裝置設(shè)置了考核模塊，用于故障設(shè)置和排查練習(xí)，完成實(shí)踐課程的考核。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化技術(shù)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)電器柜內(nèi)部布置圖如圖6所示，考試單元所用的考試模板如圖7所示。

圖6 電器柜內(nèi)部布置圖

圖7 考試模板

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代電氣的既有機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的改造，對(duì)于技術(shù)升級(jí)，完成舊設(shè)備改造，適應(yīng)新專業(yè)教學(xué)要求具有重大意義。本設(shè)計(jì)改造使用了三菱系列可編程控制器、三菱系列變頻器、HMI，可以進(jìn)行可編程控制器應(yīng)用技術(shù)、變頻技術(shù)應(yīng)用、組態(tài)技術(shù)應(yīng)用等實(shí)踐教學(xué)。通過(guò)設(shè)備改造利用原有教學(xué)設(shè)備完成教學(xué)內(nèi)容改革，實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，節(jié)約教學(xué)資源，減少投資，將有限的資金用在更需要的地方。