尹柏龍 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于變頻與PLC控制的車床主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

尹柏龍 安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本研究所用數(shù)控為華中數(shù)控，設(shè)計了車床主軸模塊的控制系統(tǒng)，研究內(nèi)容有主軸控制方案的選定，可調(diào)速變頻系統(tǒng)的研究，PLC模塊主要優(yōu)化了控制邏輯，I/O模塊設(shè)計了開關(guān)量。設(shè)計完成后，做了PLC調(diào)試工作，根據(jù)調(diào)試數(shù)據(jù)可知車床在加工平穩(wěn)性、可靠性以及響應(yīng)速度方面要優(yōu)于常規(guī)的車床。

車床 數(shù)控系統(tǒng) PLC 變頻

數(shù)控設(shè)備是技術(shù)集成度很高的產(chǎn)品，其囊括了機械制造、控制、系統(tǒng)集成、嵌入式、微機電等一系列先進技術(shù)在內(nèi)。數(shù)控設(shè)備的制造水平在一定程度上可以代表工業(yè)發(fā)展水平。華中數(shù)控是國內(nèi)發(fā)展較好的數(shù)控系統(tǒng)方案提供商，這篇文章的研究內(nèi)容以C6140車床作為研究平臺，華中數(shù)控作為控制系統(tǒng)，通過變頻和PLC設(shè)計對車床主軸的控制模塊進行了設(shè)計。

1 主軸控制設(shè)計方案

國外以西門子、FUNUC為代表的數(shù)控系統(tǒng)因其高精度和閉環(huán)設(shè)計，大多比較昂貴，而本文所研究的車床由于加工對象的特點，不需要閉環(huán)設(shè)計，又因為成本的考量，選用了華中數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)面板、板卡、系統(tǒng)I/O、繼電模塊、外部輸入輸出等機床模塊都是自行安裝完成并調(diào)試。根據(jù)設(shè)計要求，主軸的控制使用了半閉環(huán)設(shè)計。設(shè)計內(nèi)容主要是兩方面，一是硬件方面的設(shè)計，二是軟件設(shè)計。設(shè)計后的系統(tǒng)可以控制主軸的啟動關(guān)閉、運轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)向、過載控制、異常警報等等；同時車刀安裝頭采用了可轉(zhuǎn)位設(shè)計以便實現(xiàn)自動換刀。

2 主要硬件系統(tǒng)的選用

2.1 變頻模塊、驅(qū)動電機以及卡盤的選用

處于車床自動控制的考慮，主軸的調(diào)速使用了變頻方式，系統(tǒng)則選用的半閉環(huán)設(shè)計。對C6140的實際加工工況進行分析計算，選則了合適的變頻模塊，電機方面，根據(jù)扭矩和功率要求，采用的是三相電機，功率7.5千瓦，可實現(xiàn)調(diào)速；同時根據(jù)實際加工的扭矩和轉(zhuǎn)速特點，選用的是無極調(diào)速，且可實現(xiàn)分檔變頻。主軸的旋轉(zhuǎn)運動是電機控制的，數(shù)控系統(tǒng)負責(zé)主軸的變速、轉(zhuǎn)向變化、啟停等控制。夾緊裝置是三爪卡盤，PLC和系統(tǒng)控制卡盤的動作，實際加工時抱死夾緊，加工完畢后松開工件。常用的卡盤通常具有自定心功能，可在卡盤的控制端口設(shè)計兩個開閉開關(guān)，以控制卡盤的動作。

2.2 編碼器選用

螺紋的加工對機床的控制要求比較高，通常需要在電機上安裝編碼器，編碼器是和主軸一起轉(zhuǎn)動的，是主軸運動和位置狀態(tài)的反饋模塊，可以感知電機的速度，位置和旋轉(zhuǎn)方向。螺紋的加工，以及絲杠的加工都要求當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀位剛好走單個導(dǎo)程的距離。由車床實際狀況可知，可加工的螺紋，最大導(dǎo)程不能超過24毫米，徑向單脈沖進給量為0.01毫米，因此電機轉(zhuǎn)一圈需要2400脈沖。編碼器的輸出有兩個相位的信號，這兩個相的相位差是π/2，同時根據(jù)螺紋加工實際需求，電機每轉(zhuǎn)一周，編碼器要發(fā)出一零位的脈沖。根據(jù)上述分析，選用合適的編碼器，編碼器的I/O端和系統(tǒng)相應(yīng)的I/O對接。

3 主軸控制系統(tǒng)設(shè)計研究

3.1 變頻調(diào)速控制

變頻器使用的是三菱7.5千瓦變頻器，變頻器可以實現(xiàn)對變頻電機的控制進而對主軸進行調(diào)速。在加工條件理想的情況下，可以實現(xiàn)某范圍間的光滑調(diào)速。系統(tǒng)自帶的控制輸出端可以被我們利用，AUTO接口的模擬信號能夠用作變頻器的輸入信號，假若使用的是單一極性電平信號，則可以用開關(guān)的開閉來控制主軸的啟動和關(guān)閉，以及正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。根據(jù)電路設(shè)計，主軸的信號電壓大小在負10伏到正10伏之間，最大電流為10毫安，假若使用雙極性電平信號，可用enable信號來控制主軸的開啟和關(guān)閉。編碼器的電源輸出是正5伏，如果采用TTL差分，波形采用方波，則能夠使信號的自穩(wěn)能力更好。編碼器允許的電流大小最大是200毫。

3.2 外部輸入輸出端口及PLC設(shè)計

基于變頻與的PLC控制車床，其控制系統(tǒng)，往往建立在機械一檔啟動、機械二檔啟動、主軸運行允許，卡盤夾緊啟動、卡盤松開啟動、主軸速度到達一系列程序基礎(chǔ)之上，尤其是對于主軸過載的情況要格外特殊控制。在進行控制的過程中，要分別注意夾緊、制動、松開、一檔、二檔之間的關(guān)系，掌握車床進展的不同程度變化。其中主軸的作用是非常重要的，對于整個車床的制動可以起到非常重要的控制和約束作用，是整個車窗主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的核心。

3.3 數(shù)控及變頻器控制

要進行系統(tǒng)設(shè)計的過程中，需要注意對于中間繼電器的開關(guān)進行控制的原則，尤其是管控數(shù)控PLC的數(shù)據(jù)和變頻器的協(xié)調(diào)方式，都可以對于車床的數(shù)控設(shè)計起到至關(guān)重要的影響作用。

有關(guān)于主軸控制的序號，根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范，操作如下：

主軸的過載信號端A7、高速使能信號端A11、速度已達信號端A6、中速使能信號端A12、主軸驅(qū)動使能信號端A3、低速使能信號端A13、啟動正轉(zhuǎn)信號端A8、取消制動狀態(tài)信號端A14、啟動反轉(zhuǎn)信號端A9、控制主軸正轉(zhuǎn)的信號端B7、外部制動信號端A10、控制反轉(zhuǎn)的信號端B8、主軸調(diào)速高速使能B9、高速使能信號端RH、中速使能B10、中速使能信號端RM、低速使能B11、低速使能信號端RL、控制停止的信號B12、變頻制動信號端MRS、正轉(zhuǎn)使能信號端R740、過載異常警報信號端OL、反轉(zhuǎn)使能信號端STF、頻率已達信號端SU。

3.4 PLC及外部輸入輸出設(shè)計

常用的三極管有兩種類型，一種是NPN型的，一種是PNP型的，本研究在設(shè)計輸入輸出模塊時使用的是NPN型三極管。利用光耦合機制，輸入模塊設(shè)計參數(shù)為，擊穿電壓為2500伏，電源采用直流24伏，三極管通路電流在5-9毫安之間，漏電電流小，最大為0.1毫安，濾波耗時最大2毫安。輸出模塊設(shè)計參數(shù)為，擊穿電壓為2500毫安，電源也是直流24伏，電流輸出最大為100毫安。

接通輸入開關(guān)A，光敏開關(guān)形成通路，輸入信號經(jīng)由數(shù)控系統(tǒng)以及PLC相關(guān)端口進入系統(tǒng)的運算模塊，運算模塊將輸入信號按照相應(yīng)算法進行處理。

輸入信號被處理后，數(shù)控PLC輸出接口信號，當(dāng)這個接口信號電平為高電平時，第二個光敏開關(guān)形成通路，和輸出端B相連的繼電器KA通電，KA為常開開關(guān)，通電時閉合，然后控制變頻器的通路接通，這樣就可以對主軸的電機進行操作。當(dāng)接口信號為低電平狀態(tài)時則不能實現(xiàn)控制。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在控制邏輯和控制系統(tǒng)設(shè)計完畢后，需要對系統(tǒng)的相關(guān)響應(yīng)及狀態(tài)進行調(diào)試。按照之前的PLC系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)計，當(dāng)某個接口或者某個參數(shù)被改變時，系統(tǒng)應(yīng)該能夠產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)動作，根據(jù)這個邏輯，可以判斷電路和系統(tǒng)設(shè)計的正確性。根據(jù)實際調(diào)試實驗，發(fā)現(xiàn)機床動作響應(yīng)與輸入狀態(tài)之間的關(guān)系復(fù)合設(shè)計要求，且可以在顯示面板看到相應(yīng)參數(shù)的變化，因此本研究電路和系統(tǒng)的設(shè)計是正確的。

5 結(jié)語

本研究以普通車床為平臺，以華中數(shù)控系統(tǒng)作為底層系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進行了主軸控制模塊的設(shè)計。設(shè)計包括對電路及PLC模塊進行了硬件層面的設(shè)計，同時對數(shù)控系統(tǒng)在軟件層面進行了二次開發(fā)。設(shè)計完成后對整個更改后的系統(tǒng)進行了調(diào)試，結(jié)果表明各項參數(shù)都是沒有問題的。本研究對數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)提供了相應(yīng)的經(jīng)驗，具有一定的理論和實踐意義。

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