郭永杰，劉海生，王曉勇，馬 強，趙 軍

（內(nèi)蒙古一機集團(tuán)精密設(shè)備維修安裝公司，內(nèi)蒙古包頭 014032）

0 引言

主軸是機床高速旋轉(zhuǎn)的運動機構(gòu)，是機床的關(guān)鍵部件，其性能直接影響零件的加工質(zhì)量，在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉(zhuǎn)速；另外對非數(shù)控機床進(jìn)給軸增加位置測量與顯示功能，可在很大程度上提高機床的加工效率；以W160HC 鏜銑床電器改造為例，通過合理設(shè)計控制流程和PLC 程序，實現(xiàn)非數(shù)控機床主軸的自動換擋、自動變速和進(jìn)給軸的相對位置、絕對位置測量功能。

1 項目背景及簡介

捷克產(chǎn)W160HC 鏜銑床原設(shè)備控制系統(tǒng)為繼電器控制系統(tǒng)，機床經(jīng)過多年的使用，高低壓電氣元件、線路、直流調(diào)速裝置等功能部件等已嚴(yán)重老化，加工過程中隨機性的發(fā)生故障，給正常生產(chǎn)加工造成障礙，使用效率低下，機床處于非連續(xù)性加工狀態(tài)，為了充分發(fā)揮機床效能，擴(kuò)展和延續(xù)機床的使用壽命，我們成功的對其進(jìn)行電器系統(tǒng)升級改造，改造后設(shè)備自動化程度明顯提高，加工精度和可靠性也大幅度提高。

2 PLC 在非數(shù)控機床轉(zhuǎn)速控制的一種應(yīng)用方法

2.1 背景技術(shù)

主軸是機床高速旋轉(zhuǎn)的運動機構(gòu)，是機床的關(guān)鍵部件，其性能直接影響零件的加工質(zhì)量。在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉(zhuǎn)速。機床主軸的變速一般采用電器調(diào)速、機床主軸變速箱換擋變速或兩者結(jié)合來實現(xiàn)。電器調(diào)速直接采用變頻調(diào)速或直流調(diào)速等方法改變電機轉(zhuǎn)速從而達(dá)到改變主軸轉(zhuǎn)速的目的；變速箱換擋變速則是電機轉(zhuǎn)速恒定，采用不同的齒輪組合實現(xiàn)主軸輸出幾擋不同的轉(zhuǎn)速，變速箱換擋變速不但可以使主軸獲得低速大扭矩，滿足強力切削的要求，還可以通過換擋改變傳動比滿足不同工序?qū)χ鬏S切削性能的要求，充分發(fā)揮主軸電機的性能。目前變速箱換擋方式，主要有手動、半自動與自動換擋方式。非數(shù)控機床一般都采用手動換擋或半自動換擋方式，而自動換擋方式一般都應(yīng)用在比較先進(jìn)的大型數(shù)控機床上。

2.2 應(yīng)用方法

W160HC 鏜銑床主軸采用4 級擋位切換，實現(xiàn)不同的齒輪組合，換擋機構(gòu)由兩個雙向電磁閥（23YV1～23YV4）控制兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下移動，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產(chǎn)生4 擋轉(zhuǎn)速，并在擋內(nèi)進(jìn)行無極調(diào)速，主軸箱內(nèi)安裝4 個擋位檢測開關(guān)（21SQ1～21SQ4）。

為實現(xiàn)非數(shù)控機床主軸的自動換擋，在PLC 程序中預(yù)先設(shè)置主軸4 個換擋轉(zhuǎn)速范圍?？刂葡到y(tǒng)依據(jù)不同的擋位給主軸驅(qū)動裝置發(fā)出不同的模擬量給定電壓，對應(yīng)主軸電機不同的轉(zhuǎn)速。

2.2.1 實施步驟

在觸摸屏上激活“主軸監(jiān)控畫面”，界面如圖1 所示。

圖1 主軸控制畫面

轉(zhuǎn)速輸入框中鍵入需要的轉(zhuǎn)速，主軸隨即開始自動變速與換擋，主軸當(dāng)前擋位信息與運行狀態(tài)會在屏幕上顯示;“轉(zhuǎn)速監(jiān)控”反饋當(dāng)前的主軸旋轉(zhuǎn)速度，單位是RPM。

2.2.2 主軸換擋控制流程

主軸換擋的控制過程是在PLC 中實現(xiàn)的，具體主軸換擋控制流程見圖2。

圖2 主軸換擋控制流程

主軸換擋的控制過程是在PLC 中實現(xiàn)的。PLC 接受到觸摸屏發(fā)出的轉(zhuǎn)速命令，并根據(jù)轉(zhuǎn)速范圍判斷是否需要換擋，如不需換擋PLC 的模擬量模塊直接輸出鍵入轉(zhuǎn)速所需的模擬量給定電壓（DC 0～10 V）到直流調(diào)速器，控制主軸電機達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速；如需換擋先檢查主軸與進(jìn)給電機是否處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果未停，PLC 先向進(jìn)給軸發(fā)“進(jìn)給保持”命令，使進(jìn)給軸停止，2 s 后向主軸發(fā)“主軸禁止”命令，使主軸停止。主軸與進(jìn)給軸停止后，根據(jù)目標(biāo)擋位，給相應(yīng)的換擋液壓油缸（23YV1～23YV4）發(fā)出輸出命令，推動相應(yīng)的齒輪運動。同時，啟動主軸換擋擺動模式，PLC 中設(shè)置擺動速度，使齒輪在移動中嚙合。定時器定時到了以后，PLC 檢測相應(yīng)的擋位開關(guān)是否生效，如果生效，說明換擋齒輪嚙合到位，對應(yīng)的檔位信號指示燈（HL21～HL24）點亮，換擋完成，主軸檔位顯示當(dāng)前的檔位信息（1～4擋）。此時，主軸自動進(jìn)入下一擋轉(zhuǎn)速，PLC 會根據(jù)換擋之前機床的狀態(tài)，控制主軸開始自動旋轉(zhuǎn)，2 s 后進(jìn)給軸在當(dāng)前的位置開始自動運行。

2.3 控制程序的編寫

2.3.1 PLC 硬件接線與WinCC 變量設(shè)計

控制系統(tǒng)采用了SINMENS S7-200 SMART 可編程控制器（編程語言：STEP 7-MicroWIN SMART）和SMART 700 觸摸屏（編程語言：WinCC flexible SMART V3）SINMENS S7-200 SMART 的硬件接線圖如圖3 所示，WinCC flexible SMART V3定義的變量表1 如圖4 所示。

2.3.2 PLC 程序簡要介紹

（1）如圖5 PLC 程序1 所示：當(dāng)前主軸擋位寄存器MB20=1時，代表主軸處于低速檔，轉(zhuǎn)速范圍0～12 r/min，轉(zhuǎn)速比：1500/82，轉(zhuǎn)速比傳遞到當(dāng)前子程序中的局部變量LD0；當(dāng)MB20=2 時，代表主軸處于中低速檔二檔，轉(zhuǎn)速范圍12～37 r/min，轉(zhuǎn)速比：1500/25,轉(zhuǎn)速比傳遞給局部變量LD0，3、4 檔同理；以此來判斷每個擋位的轉(zhuǎn)速范圍，并與觸摸屏輸入的轉(zhuǎn)速VD0 進(jìn)行比較，判斷出合理的擋位信息傳遞到擋位寄存器MB21 中。

MB20 是當(dāng)前主軸擋位寄存器，兩者的比較信號下降沿置位M22.2，M22.2 為1 時主軸開始換擋沖動，同時換擋電磁閥開始工作。比較信號的上升沿或換擋超時信號T46 復(fù)位M22.2，實現(xiàn)主軸的自動換擋功能。

圖3 PLC 硬件接線圖

圖4 WinCC flexible SMART V3 定義的變量表1

圖5 PLC 程序1

（2）如圖6 中PLC 程序2 所示：M2.0（主軸正轉(zhuǎn)中繼信號）為1 時，把+27648 傳送給局部變量LD24,M2.1（主軸反轉(zhuǎn)中繼信號）為1 時，把-27648 傳送給局部變量LD24,當(dāng)前擋位轉(zhuǎn)速比的臨時變量LD22 與LD24 相乘，結(jié)果傳送給臨時變量LD20，LD20 取整后傳送給LD28，LD28 由雙字轉(zhuǎn)換為字變量后傳送給AQW80 模擬量輸出通道1，模擬量模塊得到所需的模擬量給定電壓（DC 0～10 V），輸出到直流調(diào)速器，控制主軸電機的達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)模擬量的自動給定；M22.2（主軸換擋中繼信號）為1 時，啟動主軸換擋擺動模式，把0.003 傳送給局部變量LD20，設(shè)定了主軸換擋所需的擺動速度。

2.4 實施效果

本次機床電器改造根據(jù)該機床的主軸換擋結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，通過PLC 控制程序，對主軸換擋和變速進(jìn)行自動控制處理，不僅提高機床的加工精度，而且延長主軸的使用壽命。

針對機床主軸換擋的形式，編制相應(yīng)的PLC 控制程序，實現(xiàn)非數(shù)控機床自動換擋與檔內(nèi)無極變速功能。最終調(diào)試的實驗結(jié)果表明，設(shè)計控制程序能夠使主軸在高、中高、中低、低四擋之間順利切換，換擋中無脫檔、換擋不到位、擋位不合理等現(xiàn)象，為同類機床的主軸自動換擋與自動變速提供了借鑒經(jīng)驗。

圖6 PLC 程序2

3 PLC 在非數(shù)控機床位置測量中的一種應(yīng)用的方法

3.1 背景技術(shù)

在機床的實際生產(chǎn)加工過程中，為了提高加工質(zhì)量與效率，需要對位置進(jìn)行自動測量與顯示，一種常見的方案就是將編碼器連接在電機的軸端，其輸出（A，B 相）連接到PLC，在PLC 編程時利用高速計數(shù)器對接收到的編碼器的脈沖進(jìn)行計數(shù)。增量式編碼器是一種串行輸出編碼器，編碼器輸入一個最小單位的增量，輸出就會有一個脈沖輸出，編碼器輸入狀態(tài)與最終的輸出代碼對應(yīng)需要通過外部脈沖計數(shù)器來完成，一旦掉電這種對應(yīng)關(guān)系就會消失，重新上電后需要通過校正來恢復(fù)輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系。

現(xiàn)有的多圈絕對值編碼器，由單圈絕對值的光柵或磁柵加上一個齒輪的多圈計數(shù)機構(gòu)組成，其最大優(yōu)點時能夠提供絕對位置信息，并且不受斷電影響，但其行程受圈數(shù)的限制，計量范圍受限，且圈數(shù)越多，其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，體積就越大，成本也越高，不利于實現(xiàn)集成化和小型化，并且接線十分復(fù)雜，普通的PLC 無法實現(xiàn)其功能。

3.2 應(yīng)用方法

W160HC 鏜銑床的鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）采用一臺直流電機驅(qū)動，基于上述原因，在直流電機變速箱輸出的絲杠端安裝一個增量式編碼器，來進(jìn)行位置測量，另外，為了實現(xiàn)絕對位置測量功能并且不受機床斷電影響，PLC 程序中設(shè)定保持型存儲器VD60，記錄需要存儲的機床位置信息。

3.2.1 操作步驟

在觸摸屏上激活“鏜桿監(jiān)控畫面”，界面如圖7 所示。

“當(dāng)前位置”記錄鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）移動的距離，“保存位置”記錄需要保存的位置，屏幕上點擊“位置清零”時，“當(dāng)前位置”會清零；點擊“位置保存”時，“當(dāng)前位置”記錄的數(shù)值記錄到“保存位置”處；點擊“位置恢復(fù)”時，“保存位置”的數(shù)值更新至“當(dāng)前位置”。

3.2.2 實現(xiàn)方法

圖7 鏜桿控制畫面

由于鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）的傳動比與反向間隙相同，因此我們采用了一個增量式編碼器并共用一個高速計數(shù)器通道來進(jìn)行位置信息測量，PLC 通過高速計數(shù)器采集并記錄增量式編碼器輸入的脈沖數(shù)量，通過一定的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）的位移信息通過觸摸屏顯示出來，并通過觸摸屏的位置存儲與位置恢復(fù)軟鍵執(zhí)行相應(yīng)的操作，來保證機床位置不受斷電影響，實現(xiàn)機床的絕對位置測量功能。另外由于兩者移動時存在恒定的反向間隙（約為0.2 mm），在PLC程序中設(shè)計了反向間隙補償功能，采用保持型繼電器記錄進(jìn)給電機之前的移動方向，換向時PLC 首先采集反向間隙脈沖數(shù)，當(dāng)達(dá)到程序中設(shè)定的反向間隙脈沖數(shù)后，才開始進(jìn)入位置測量，極大的提高了機床進(jìn)給軸的測量精度。

3.3 控制程序的編寫

3.3.1 WinCC flexible SMART V3 定義的對應(yīng)變量表2 信息（圖8）

3.3.2 PLC 程序的簡要介紹

PLC 程序如圖9 所示：

SM0.0 時常1 信號，SM37.7 也常為1，高速計數(shù)器HSC0 始終啟用，坐標(biāo)清零信號V9.6 的上升沿把0 傳送到SMD38（高速計數(shù)器HSC0 的新當(dāng)前值）中，使編碼器脈沖信號清零，當(dāng)前位置也變?yōu)?；高速計數(shù)器的當(dāng)前值HC0 傳送給當(dāng)前子程序中的局部變量LD0 中，LD0 通過比例換算為行走距離傳送到當(dāng)前坐標(biāo)VD14 中。

圖8 WinCC flexible SMART V3 定義的變量表2

圖9 PLC 程序3

當(dāng)機床斷電需要記錄當(dāng)前的位置信息時，點擊觸摸屏上的位置存儲按鍵，變量V26.1 發(fā)出1 個上升沿信號，VD14 中的當(dāng)前坐標(biāo)傳送到斷電存儲繼電器VD60 中，當(dāng)需要恢復(fù)記憶的坐標(biāo)時，點擊觸摸屏上的位置恢復(fù)按鍵，變量V26.2 發(fā)出1 個上升沿信號，斷電存儲繼電器VD60 中保存的Z 軸當(dāng)前坐標(biāo)傳送到VD18中，VD18 又通過位置、脈沖換算，將換算的脈沖數(shù)傳送到SMD38中，對計數(shù)器HSC0 的當(dāng)前值進(jìn)行了更新，新當(dāng)前值又被傳送到局部變量LD0 中，LD0 通過位置、脈沖換算，鏜桿的位置信息實時被傳送到當(dāng)前坐標(biāo)VD14 中，實現(xiàn)了絕對位置測量功能。

3.4 實施效果

根據(jù)該機床的進(jìn)給軸結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，在絲杠一端安裝增量式編碼器，通過PLC 控制程序，實現(xiàn)機床進(jìn)給軸的絕對和相對位置測量功能，并且不受機床斷電的影響，解決了現(xiàn)有多圈編碼器因受齒輪圈數(shù)的限制導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜與計量范圍受限的問題，可為同類機床進(jìn)給軸的位置測量提供借鑒經(jīng)驗。

4 結(jié)束語

通過在捷克產(chǎn)W160HC 鏜銑床上實施電器系統(tǒng)升級改造，實現(xiàn)了下述功能，為非數(shù)控機床提高自動化水平與可靠性水平積累了大量經(jīng)驗。

（1）在非數(shù)控機床上實現(xiàn)了主軸自動換擋與自動變速功能，在執(zhí)行換擋過程中，控制主軸電機低速擺動，易于液壓撥叉推動齒輪實現(xiàn)穩(wěn)定配合。能夠使主軸在高、中高、中低、低四擋之間順利切換，換擋中無脫檔、換擋不到位、擋位不合理等現(xiàn)象，在換擋時，機械沖擊小，可靠性高，消除了主軸低速運動換擋不穩(wěn)定、主軸振動明顯，以及對傳動系統(tǒng)齒輪強度和使用壽命造成的不利影響，為同類機床的主軸自動換擋與自動變速提供借鑒經(jīng)驗。

（2）實現(xiàn)了機床進(jìn)給軸的絕對和相對位置測量功能，并且不受機床斷電的影響，解決了現(xiàn)有多圈編碼器因受齒輪圈數(shù)的限制導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜與計量范圍受限的問題，可為同類機床進(jìn)給軸的位置測量提供借鑒經(jīng)驗。