吳 碩

（遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧沈陽 110161）

0 引言

隨著科技進(jìn)步不斷發(fā)展，高速銑削加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工眾多領(lǐng)域。高速銑削技術(shù)由于切削機(jī)理改變，因此具有切削力低、熱變形小、材料切除率高、加工精度高、加工成本低等優(yōu)勢[1-3]。切削力和切削溫度等加工參數(shù)是研究高速銑削技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容，通過對切削力和切削溫度參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究來選擇切削刀具、控制切削用量和制定切削路徑對高速銑削加工是十分必要的[4-6]。但目前切削力、切削溫度檢測采用的是一套相對獨(dú)立的控制系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要對實(shí)驗(yàn)臺本體進(jìn)行重新架構(gòu)和連接，因此不僅增加了硬件設(shè)備擴(kuò)展支出，而且也不利于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的一體化開展。

針對上述問題，圍繞實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有銑削加工設(shè)備，搭建一個(gè)可實(shí)現(xiàn)自動加工的高速銑削實(shí)驗(yàn)臺，設(shè)計(jì)開發(fā)一套“HMI+PLC”的實(shí)驗(yàn)臺集成控制系統(tǒng)。通過對實(shí)驗(yàn)臺工藝要求分析，給出實(shí)驗(yàn)臺集成控制系統(tǒng)硬、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，完成切削力和切削溫度檢測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了切削加工三要素影響切削力、切削溫度的理論依據(jù)。該實(shí)驗(yàn)臺用于教學(xué)中，不僅可滿足相對簡單高速切削實(shí)驗(yàn)的需求，還能提高機(jī)電類學(xué)生機(jī)電聯(lián)調(diào)的工程實(shí)踐能力。

1 實(shí)驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺在工藝要求上不僅要滿足主軸轉(zhuǎn)速在10 000 r/min以上的高速銑削加工功能，而且還要實(shí)現(xiàn)工作臺X、Y、Z三軸的運(yùn)動控制，并在加工過程中實(shí)現(xiàn)自動換刀[7-9]。基于上述要求，結(jié)合加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了高速銑削實(shí)驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高速銑削實(shí)驗(yàn)臺機(jī)構(gòu)示意圖

主軸系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)臺的主軸采用內(nèi)裝式電主軸，電主軸的最高轉(zhuǎn)速是20 000 r/min，功率是15 kW。在主軸尾端同軸配置旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停功能，并能檢測主軸方向和速度。

進(jìn)給系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)臺的X、Y、Z軸進(jìn)給由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾軸絲杠實(shí)現(xiàn)。其中X、Y軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)的是在橫、縱兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)快速定位功能。Z軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)的是換刀時(shí)主軸回原點(diǎn)及確定切削深度功能。

刀庫系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)臺配備BT30-20圓盤式刀庫，刀庫容量為20套，刀具中心距410 mm，滿刀時(shí)刀具最大直徑60 mm，刀具最大長度250 mm，最大刀具重量5 kg，整個(gè)自動換刀機(jī)構(gòu)由換刀機(jī)構(gòu)、刀庫本體和換刀臂組成[10-11]。

1.2 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)臺不僅要實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)、多軸進(jìn)給電機(jī)、自動換刀等數(shù)控加工功能，還要實(shí)現(xiàn)切削力、切削溫度檢測功能。因此，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，綜合考慮實(shí)驗(yàn)靈活性、經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)展性，采用基于以太網(wǎng)通訊下的“HMI+PLC”的控制方案，如圖2所示。通過HMI（人機(jī)界面）輸入實(shí)驗(yàn)臺的主軸轉(zhuǎn)速、定位坐標(biāo)、進(jìn)給距離、換刀號等控制數(shù)據(jù)，經(jīng)以太網(wǎng)通訊給PLC來完成實(shí)驗(yàn)臺數(shù)控加工和力、溫度檢測功能，并實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面交互和數(shù)據(jù)管理。

圖2 集成控制系統(tǒng)工作原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制核心選取

實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)采用西門子公司S7-200 SMART ST40小型PLC為控制核心，主要由運(yùn)動控制系統(tǒng)（步進(jìn)、變頻）、面板操作系統(tǒng)（按鈕、開關(guān)、刀庫選擇）、溫度和力檢測系統(tǒng)（測力儀和熱電偶）、HMI人機(jī)界面等部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其主要功能如下[12-13]：

圖3 集成控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通信：通過PLC本體集成以太網(wǎng)接口，外接工業(yè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)PC、PLC、HMI自由通信。

電機(jī)控制：通過本體集成的4路單相100kHz或2路A/B相50 kHz高速計(jì)數(shù)輸入對編碼器脈沖反饋計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)速度和位置控制；本體集成的3路100 kHz高速脈沖輸出可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制。

模擬量輸入/輸出：由于本體沒有配備模擬量控制單元，因此需外接擴(kuò)展單元EMA03模擬量模塊（2AI/1AO），實(shí)現(xiàn)力和溫度模擬量輸入檢測、G120變頻器模擬量頻率控制。

面板控制：本體集成40路I/O點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)面板輸入操作的數(shù)據(jù)采集及系統(tǒng)狀態(tài)顯示輸出控制。

2.2 運(yùn)動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用S7-200 SMAT ST40晶體管輸出類型PLC做步進(jìn)電機(jī)三軸定位控制。選用西門子公司M542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動器調(diào)整完細(xì)分后為1600個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)一圈，通過絲杠傳動，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈負(fù)載位移為2 mm。由于PLC編程軟件WIN SMART中配置了運(yùn)動控制向?qū)Чδ?，系統(tǒng)自動配置了脈沖和方向的接口，只需按規(guī)定接口連接相應(yīng)驅(qū)動器和PLC，如圖4所示。

圖4 步進(jìn)控制系統(tǒng)接線及硬件組態(tài)

根據(jù)主軸電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)臺要求，系統(tǒng)采用西門子G120變頻器對主軸電機(jī)進(jìn)行速度和位置控制。其中速度控制既可采用模量輸入控制也可采用不同現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊控制，考慮到后續(xù)編程調(diào)試的難易程度，我們采用模擬量控制變頻。因此，需要將G120變頻器的模擬量輸入端子與PLC模擬量擴(kuò)展模塊的輸出端子連接。

與主軸電機(jī)同軸配置歐姆龍E6B2-CWZB A/B相輸出增量編碼器做主軸高速脈沖計(jì)數(shù)。在WIN SMART中啟用高速計(jì)數(shù)向?qū)Чδ?，設(shè)置高速計(jì)數(shù)HSC0，模式9后，編碼器A相和B相自動分配給PLC輸入點(diǎn)I0.0和I0.1，如圖5所示。由于主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，結(jié)合減速比（1∶10） 和編碼器線數(shù)（500線），通過計(jì)算PLC輸入點(diǎn)脈沖捕捉頻率為2.5 kHz，因此需設(shè)置PLC脈沖輸入時(shí)間0.2 ms。

圖5 變頻控制系統(tǒng)接線及硬件組態(tài)

2.3 力和溫度采集系統(tǒng)

分別采用壓電式銑削測力儀和自然熱電偶法進(jìn)行切削力和切削溫度的測量。測力儀和熱電偶采集到的電壓信號經(jīng)相應(yīng)的濾波和放大后用輸入PLC模擬量輸入模塊。由于兩者輸出的是電壓信號，因此需要找出力、溫度與輸出電壓的關(guān)系。采用一元線性回歸處理法獲得標(biāo)定系數(shù)方程[14]，獲取電壓與力和溫度的關(guān)系，其中：

式中，a為回歸系數(shù)，b為回歸常量，F(xiàn)為加載力值，U為輸出電壓值。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合集成控制系統(tǒng)硬件配置和實(shí)驗(yàn)臺工藝要求，系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)包括HMI應(yīng)用程序和PLC控制程序兩個(gè)組成部分。

3.1 HMI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

HMI程序主要完成相關(guān)加工參數(shù)的運(yùn)行設(shè)置、狀態(tài)顯示及數(shù)據(jù)存儲、分析等功能。在WINCC觸摸屏軟件中，通過I/O變量完成上下位機(jī)數(shù)據(jù)的交換，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理。人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，通過變量數(shù)據(jù)庫中定義各變量在畫面的控件和命令語言即可使用所定義的變量，觸摸屏畫面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 HMI（觸摸屏） 畫面設(shè)計(jì)

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序主要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)動控制、換刀控制、切削參數(shù)檢測等功能。PLC程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)功能分別編寫初始化、報(bào)警、點(diǎn)動、回原點(diǎn)、定位、進(jìn)給等子程序模塊，如圖7所示。主程序開始執(zhí)行時(shí)，首先調(diào)用初始化程序，包括各寄存器復(fù)位、電機(jī)回原點(diǎn)等功能。然后調(diào)用報(bào)警子程序，監(jiān)測實(shí)驗(yàn)臺初始化后是否存在相應(yīng)的故障現(xiàn)象。最后按照工藝執(zhí)行順序分別調(diào)用定位、進(jìn)給、主軸、刀庫控制等子程序。通過定時(shí)中斷程序來調(diào)用切削參數(shù)采集子程序，采樣周期可以由定時(shí)時(shí)間予以確定。

圖7 PLC主程序流程圖

4 集成控制系統(tǒng)調(diào)試

4.1 面板和觸摸屏調(diào)試

考慮到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的針對性和適用性，我們圍繞機(jī)電類專業(yè)核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：運(yùn)動控制和切削檢測部分進(jìn)行安裝與調(diào)試，系統(tǒng)面板運(yùn)行和人機(jī)界面如圖8所示。打開系統(tǒng)總電源，按下啟動按鈕，分別按下正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、前、后、左、右移動的點(diǎn)動按鈕，工作臺按照相應(yīng)的功能運(yùn)動。下載HMI程序，打開HMI界面，在人機(jī)界面中分別輸入相應(yīng)功能參數(shù)，點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)后，系統(tǒng)能夠按照人機(jī)界面輸入的參數(shù)完成加工運(yùn)動控制和切削檢測功能，且人機(jī)界面能夠?qū)崟r(shí)顯示實(shí)驗(yàn)臺的加工狀態(tài)和切削參數(shù)。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行界面

4.2 切削功能測試

對切削力和切削溫度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)采集分析對高速銑削加工是十分必要的。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)輸入背吃刀量ɑp、進(jìn)給量f、銑削速度vc的數(shù)值進(jìn)行三組高速銑削實(shí)驗(yàn)，從上位機(jī)HMI導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制圖像（如圖9所示）。

圖9 切削溫度、切削力影響因素

從圖像中我們可以看出背吃刀量ɑp、進(jìn)給量f、銑削速度vc三者與切削力和切削溫度具有一定關(guān)聯(lián)。對于切削力而言，當(dāng)背吃刀量與進(jìn)給量的增加（減少）會導(dǎo)致切削力增加（減少），且進(jìn)給量影響因素更大。反之，當(dāng)切削速度增大（減?。?，切削力相應(yīng)地減?。ㄔ龃螅@與切削溫度的變化和積屑瘤的產(chǎn)生和消失有一定關(guān)聯(lián)[14]。反觀切削溫度，當(dāng)切削速度和進(jìn)給量增加（減少），切削溫度隨之上升（降低），且切削速度變化促使切削溫度變化顯著。但背吃刀量對溫度影響較小，這是因?yàn)楸吵缘读孔兓瘯r(shí)，散熱面積和產(chǎn)生的熱量亦作相應(yīng)變化，因此溫度上升不明顯[15]。因此，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果也直接驗(yàn)證了切削加工三要素影響切削力和切削溫度的理論依據(jù)。

5 結(jié)束語

利用現(xiàn)有高速銑實(shí)驗(yàn)平臺硬件條件，設(shè)計(jì)了基于HMI+PLC實(shí)驗(yàn)臺集成控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該實(shí)驗(yàn)平臺在運(yùn)動控制、換刀控制、檢測控制等方面設(shè)計(jì)與應(yīng)用，并將當(dāng)前工業(yè)自動化控制熱點(diǎn)技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)中。通過系統(tǒng)安裝調(diào)試，實(shí)驗(yàn)臺不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速銑實(shí)驗(yàn)的自動加工功能，還能對切削力和切削溫度進(jìn)行檢測分析，進(jìn)一步驗(yàn)證切削加工相關(guān)理論依據(jù)，更提升了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備改造的創(chuàng)新思維和機(jī)電聯(lián)調(diào)的工程應(yīng)用能力。