吳 碩，馬廣君，史家順，竇 艷

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110089）

基于PLC的高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 碩1，馬廣君1，史家順2，竇 艷2

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110089）

0 引言

高速切削加工是現(xiàn)代切削加工的發(fā)展方向，而切削力和切削溫度等參數(shù)是影響高速切削技術(shù)研究的重要內(nèi)容，也是反應(yīng)加工過程的重要參數(shù)。然而，現(xiàn)有的切削力、切削溫度檢測系統(tǒng)都是一套獨(dú)立的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)一套數(shù)控加工與切削力、切削溫度檢測集成系統(tǒng)，不僅可以減少了部分硬件設(shè)備，降低了成本，也使系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大和集中，便于高速切削的研究。本文利用實(shí)驗(yàn)室已具備的高速電主軸、刀庫等實(shí)驗(yàn)設(shè)備，搭建一個(gè)可自動(dòng)換刀的高速切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)，開發(fā)了一套以PC機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)的集成控制系統(tǒng)，并對其硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。

1 集成控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)要求能夠?qū)崿F(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速在12000r/min以上的高速銑削，工作臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)橫向和縱向兩個(gè)方向的移動(dòng)，能夠自動(dòng)換刀，根據(jù)這些要求，結(jié)合加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建方案。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由底座、立柱、工作臺(tái)、主軸等部分組成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制要求

圖1 高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)示意圖

1）實(shí)現(xiàn)電主軸的控制。高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)建，最主要的目的是進(jìn)行高速銑削實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)的高速銑削主要體現(xiàn)在主軸的高速，主要是主軸的速度控制。另外，為了完成自動(dòng)換刀功能，主軸需具有準(zhǔn)停功能，即換刀前，主軸會(huì)停止在一個(gè)固定角度來實(shí)現(xiàn)刀具與主軸刀具接口之間的鍵聯(lián)接。

2）實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制。高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制跟數(shù)控銑床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制方法相同，但實(shí)驗(yàn)臺(tái)以對高速銑削的切削參數(shù)檢測為主，故本系統(tǒng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)功能只設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作下的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和直線運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的坐標(biāo)系設(shè)定為XOY坐標(biāo)系。

3）實(shí)現(xiàn)刀庫的控制。高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)另外一個(gè)重要的功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，自動(dòng)換刀包括選刀和換刀兩部分，選刀是通過對刀盤的控制旋轉(zhuǎn)把所選刀號(hào)的刀旋轉(zhuǎn)到換到位，換刀是利用換刀機(jī)械手把主軸和刀庫的刀具相交換。

4）實(shí)現(xiàn)高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的切削力和切削溫度檢測功能。

1.3 控制方案的選擇

對于控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)三軸、四軸的聯(lián)動(dòng)，采用運(yùn)動(dòng)控制器具有很好的開放性，但運(yùn)動(dòng)控制器需配有專門的運(yùn)動(dòng)控制軟件。PLC脈沖控制功能同樣可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，而且PLC程序簡單易懂，開發(fā)周期短、通信簡單、抗干擾能力強(qiáng)。與運(yùn)動(dòng)控制器相比，PLC開發(fā)相對簡單，更適用于本系統(tǒng)對運(yùn)動(dòng)控制要求不是很高的場合。

所以，綜合考慮系統(tǒng)的控制要求和實(shí)際情況，該系統(tǒng)用PLC實(shí)現(xiàn)前臺(tái)主軸、刀庫、運(yùn)動(dòng)控制和切削參數(shù)采集功能，用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面及后臺(tái)管理，并通過PC機(jī)與PLC之間的通信完成整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)。

2 集成控制器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 集成控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制方案和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制要求，確定控制系統(tǒng)由以下硬件組成如下：1）PC機(jī)和PLC；2）電主軸和變頻器；3）步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器；4）刀庫；5）銑削力測力儀；6）自然熱電偶，控制系統(tǒng)的硬件機(jī)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 PC機(jī)與PLC選擇

PC機(jī)作為上位機(jī)主要完成人機(jī)界面的開發(fā)，PC機(jī)可選用普通配置的個(gè)人PC機(jī)，帶有RS-232串口。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)PLC選用西門子200系列的小型PLC CPU224XP，CPU224XP集成兩個(gè)模擬輸入通道和一個(gè)模擬輸出通道，可輸入、輸出0～5V、-10V～10V的電壓信號(hào)或0～20mA的電流信號(hào)。兩個(gè)模擬量輸入通道可用于切屑參數(shù)信號(hào)輸入，一個(gè)模擬量輸出通道可以控制變頻器來實(shí)現(xiàn)主軸變頻調(diào)速。

2.3 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確定

高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)三個(gè)方向的進(jìn)給都由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC輸出的高速脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)在三個(gè)方向上移動(dòng)。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要求，以滿足主要性能為前提，三個(gè)方向均選擇Kinco公司的3S57Q-04056型步進(jìn)電機(jī)，配套驅(qū)動(dòng)器為KM358型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和PLC內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，以及控制要求，確定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和PLC的接線原理圖如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和PLC接線原理圖

2.4 電主軸控制系統(tǒng)選擇

系統(tǒng)中，電主軸采用變頻器來實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。根據(jù)電主軸的參數(shù)，選擇與電主軸相配套的西門子MM420變頻器。西門子變頻器內(nèi)建RS-485通信口，可直接與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制，也可以通過PLC的模擬量模塊輸出與頻率對應(yīng)的模擬量信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制。本系統(tǒng)采用模擬量控制的方案。根據(jù)變頻器端子配線圖與電主軸的控制要求，確定PLC與變頻器接線的原理圖如圖4所示。

電主軸上裝有高速編碼器GEL244，該編碼器輸出脈沖最高頻率可達(dá)200Hz，輸出脈沖是相位相差90°的正弦信號(hào)，編碼器采用輸出采用長線驅(qū)動(dòng)方式，接口為9針，輸出信號(hào)分別為A相輸出A+、A-，B相輸出B+、B-和零位脈沖輸出N+、N-。為使PLC可以接收編碼器的輸出脈沖信號(hào)，可采用光電耦合器進(jìn)行輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換，使編碼器可以接入PLC，其硬件接線圖如圖5所示。

圖4 變頻器與PLC接線原理圖

圖5 編碼器與PLC接線原理圖

2.5 切削力和切削溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

切削力采用壓電式三向銑削測力儀進(jìn)行測量，系統(tǒng)把測力儀的電壓信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的濾波和放大后用PLC的模擬量模塊進(jìn)行采集。切削溫度采用自然熱電偶法，將刀具和工件兩種材料作為熱電偶的兩極，組成閉合回路來測量切削溫度，同樣電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路的放大后用PLC的模擬量模塊進(jìn)行采集。切削力和切削溫度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 切削力和切削溫度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.6 操作面板設(shè)計(jì)

高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7所示，面板主要分布總電源、啟動(dòng)、停止、急停按鈕；總電源、控制電源、報(bào)警指示燈；液壓、氣壓、冷卻、切削液選擇開關(guān)；+X、-X、+Y、-Y點(diǎn)動(dòng)按鈕；主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、主軸停按鈕。這些按鈕、開關(guān)通過電纜把I/O信號(hào)輸入到PLC中，由PLC實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各控制功能。

圖7 高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作面板

3 集成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件包括控制功能模塊和管理功能模塊兩部分。其中控制功能模塊包括：手動(dòng)加工、切削力、切削溫度采集和顯示、工作臺(tái)坐標(biāo)顯示。管理模塊包括：控制參數(shù)設(shè)置、切削數(shù)據(jù)管理、控制系統(tǒng)通信。

如果按系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能來劃分，本系統(tǒng)可以分為數(shù)控加工模塊和切削力和切削溫度檢測模塊。數(shù)控加工模塊主要包括主軸控制、刀庫控制、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制和輔助控制模塊，切削力和切削溫度檢測模塊主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)就是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)界面設(shè)定工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、換刀號(hào)，根據(jù)參數(shù)的設(shè)定手動(dòng)完成點(diǎn)動(dòng)、原點(diǎn)返回、目標(biāo)定位、進(jìn)給、主軸控制、自動(dòng)換刀等功能，并在高速銑削中進(jìn)行切削力和切削溫度的檢測和數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)的工作流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行調(diào)試

系統(tǒng)硬件、PLC程序、人機(jī)界面和PLC的通信都調(diào)試完成以后，可以進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的試運(yùn)行。把編寫好的完整的PLC程序下載到PLC中，打開總電源開關(guān)，點(diǎn)擊操作面板上的“開始”按鈕步進(jìn)電機(jī)上電，分別按下控制工作臺(tái)前、后、左、右移動(dòng)的點(diǎn)動(dòng)按鈕，工作臺(tái)開始點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。打開人機(jī)界面，分別進(jìn)行原點(diǎn)返回、定位、進(jìn)給功能測試，經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠按照人機(jī)界面輸入的參數(shù)完成各運(yùn)動(dòng)控制，并且人機(jī)界面中能夠?qū)崟r(shí)顯示工作臺(tái)的坐標(biāo)值。點(diǎn)擊操作面板的“停止”按鈕，電機(jī)停轉(zhuǎn)。按下急停按鈕，系統(tǒng)斷電。系統(tǒng)運(yùn)行人機(jī)界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行人機(jī)界面

用電位器提供的電壓模擬量輸入信號(hào)作為切削參數(shù)的輸入信號(hào)，人機(jī)界面采集切削參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)內(nèi)部變量設(shè)定的標(biāo)定系數(shù)方程轉(zhuǎn)化之后，在“實(shí)時(shí)趨勢曲線”中顯示采集數(shù)據(jù)的曲線圖如圖11所示。

圖11 切削力和切削溫度實(shí)時(shí)曲線圖

分別采入四次數(shù)據(jù)，模擬進(jìn)行了四次高速銑削實(shí)驗(yàn)，切削參數(shù)檢測系統(tǒng)會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析。點(diǎn)擊人機(jī)界面的“數(shù)據(jù)處理表格”按鈕，彈出“數(shù)據(jù)處理” 窗口如圖12所示。點(diǎn)擊“XY曲線”按鈕，彈出“切削參數(shù)XY曲線”窗口如圖13所示。

圖12 數(shù)據(jù)分析表格窗口

圖13 XY曲線圖

經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行，本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能和切削參數(shù)檢測功能可以正常運(yùn)行，能夠達(dá)到要求實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能。

5 結(jié)論

基于現(xiàn)有的軟硬件資源，對高速銑削數(shù)控系統(tǒng)和切削力、切削溫度檢測系統(tǒng)的集成做出了積極的探索，利用組態(tài)軟件的開發(fā)把兩種功能集成在一個(gè)控制系統(tǒng)中，方便了高速銑削實(shí)驗(yàn)的開展，但其功能遠(yuǎn)不能滿足高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)對高速銑削銑削用量、切削路徑等方面研究的要求，系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究和開發(fā)，使其具有使用價(jià)值。

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Design of integration control system for high-speed milling experiment platform based on PLC

WU Shuo1，MA Guang-jun1，SHI Jia-shun2，DOU Yan2

文章利用現(xiàn)有的高速電主軸、刀庫等實(shí)驗(yàn)設(shè)備構(gòu)建一個(gè)可自動(dòng)換刀的高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合其特點(diǎn)和控制要求，采用“PC+PLC”的結(jié)構(gòu)形式研究和開發(fā)了一套基于PC機(jī)的高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)集成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用PLC實(shí)現(xiàn)前臺(tái)主軸、刀庫、運(yùn)動(dòng)控制和切削參數(shù)采集功能，用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面及后臺(tái)管理，并通過PC機(jī)與PLC之間的通信完成整個(gè)系統(tǒng)的控制任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所開發(fā)的高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)集成控制系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行良好，操作方便，人機(jī)界面友好，能夠?qū)崿F(xiàn)控制高速銑削實(shí)驗(yàn)的控制要求以及切削力和切削溫度的檢測要求。

高速銑削實(shí)驗(yàn)臺(tái)；集成控制系統(tǒng)；人機(jī)界面；PLC

吳碩（1982 -），男，沈陽人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化和工業(yè)控制技術(shù)。

TP391

A

1009-0134(2014)06(上)-0128-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).37

2014-02-17