王樂(lè)強(qiáng)，曹小玲，陳克儉

（宜昌長(zhǎng)機(jī)科技有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443003）

0 引言

大型、重型數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，再加上機(jī)床本身的復(fù)雜性和專(zhuān)業(yè)性，使得維修成本很高，所以有必要對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸運(yùn)行情況進(jìn)行有效監(jiān)控。在加工工件時(shí)，操作者通過(guò)對(duì)機(jī)床主軸功率的實(shí)時(shí)監(jiān)控，觀(guān)察負(fù)載的使用和變化情況，可隨時(shí)調(diào)整機(jī)床切削參數(shù)，因此有必要對(duì)主軸功率進(jìn)行有效顯示和監(jiān)控，既能提高機(jī)床使用效率，又能保障機(jī)床安全運(yùn)行，降低機(jī)床主軸電機(jī)的故障率。

一般數(shù)控機(jī)床都采用伺服主軸系統(tǒng)，主軸功率百分比可以自動(dòng)顯示在數(shù)控系統(tǒng)的界面上，但很多重型機(jī)床本身主軸功率很大而且并不需要做精確位置控制，如選用伺服主軸就會(huì)造成較大功能和成本上的浪費(fèi)。因此一些大型重型機(jī)床采用大功率交流變頻電機(jī)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出模擬量轉(zhuǎn)速指令給變頻器來(lái)控制電機(jī)調(diào)速，其變頻電機(jī)功率無(wú)法直接顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上。

針對(duì)以上情況，在設(shè)計(jì)時(shí)提出了一種采用西門(mén)子帶模擬量輸入功能I/O模塊的模擬量主軸電機(jī)功率顯示方案。該方案是將變頻器發(fā)出的實(shí)時(shí)功率信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬量輸入/輸出模塊接受到西門(mén)子828D數(shù)控系統(tǒng)，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后，實(shí)現(xiàn)了在西門(mén)子828D系統(tǒng)屏幕上實(shí)時(shí)顯示模擬主軸功率的功能。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件連接

硬件采用西門(mén)子828D數(shù)控系統(tǒng)，帶有2路模擬量輸入2路模擬量輸出的PP 72/48D 2/2A PN I/O模塊[1]，西門(mén)子1LE0001系列55kW低壓交流異步電動(dòng)機(jī)，變頻器采用施耐德ATV340D55N4變頻器。

機(jī)床的主軸由變頻器控制，采用單極性主軸控制方案，控制單元上接口X252.1，X252.2用于數(shù)控系統(tǒng)模擬量給定調(diào)速，電壓范圍為0～10 V，接到變頻器上的模擬量輸入端口CN6上的AL1和COM端口，這樣完成828D PPU到變頻器速度控制信號(hào)的連接。系統(tǒng)硬件接線(xiàn)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件接線(xiàn)

由于西門(mén)子828D系統(tǒng)本身只有一路模擬量輸出接口，而沒(méi)有模擬量輸入接口，所以要接收來(lái)自變頻器發(fā)出的模擬量信號(hào)就必須在硬件上增加一個(gè)帶有模擬量輸入功能的I/O模塊，如圖2所示。由ATV340變頻器的模擬量輸出接口發(fā)出功率信號(hào)，此信號(hào)設(shè)定為0～10 V的模擬電壓，然后通過(guò)模擬量輸入模塊接受變頻器發(fā)出的模擬量信號(hào)后再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將其顯示在數(shù)控系統(tǒng)屏幕上。

圖2 外設(shè)模塊PP 72/48D 2/2A PN模塊

將施耐德ATV340變頻器模擬量輸出信號(hào)AQ1和COM端[2]通過(guò)帶屏蔽層線(xiàn)纜引出，連接到I/O模塊上的X3接口3、4腳，分別對(duì)應(yīng)通道1模擬輸入AL+、通道1模擬輸入AL-。模塊上X3端口有三種信號(hào)可以處理：模擬量電壓、模擬量電流和PT100熱敏電阻，可以通過(guò)設(shè)定相關(guān)的參數(shù)確定輸入信號(hào)的類(lèi)型，只有在設(shè)定參數(shù)后，模擬輸入端才能運(yùn)行。端口各引腳的定義見(jiàn)表1。

表1 X3接口引腳定義

1.2 參數(shù)設(shè)置

模擬量建立的循環(huán)時(shí)間：每個(gè)通道20 ms，分辨率為16位。本方案中模擬量信號(hào)設(shè)定為模擬量電壓輸入，電壓范圍為0～10 V，設(shè)定值對(duì)應(yīng)范圍0～26214（十進(jìn)制）。硬件要連接到828D數(shù)控系統(tǒng)要設(shè)定圖1中S1地址開(kāi)關(guān)。再通過(guò)軟件控制程序設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，讓系統(tǒng)中的PLC能夠讀取到外部輸入的模擬量信號(hào)。相關(guān)的參數(shù)設(shè)置說(shuō)明如下：在828D系統(tǒng)上第一塊PP72/48PN 2A模塊撥碼地址設(shè)定為：192.168.214.9，也就是S1開(kāi)關(guān)上1，4，9，10開(kāi)關(guān)撥撥的ON的位置。對(duì)應(yīng)的模擬量I/O地址：模擬量輸入/輸出映像起始地址為56。需對(duì)QB56-63，IB56-63進(jìn)行設(shè)置，其中QB56定義運(yùn)行方式，QB57定義控制類(lèi)型，QB58和QB59保留，QW60第一路模擬輸出，QW62第二路模擬輸出。

通過(guò)模擬量輸入端字節(jié)分配表中的字節(jié)完成運(yùn)行方式的參數(shù)設(shè)定，見(jiàn)表2。

表2 模擬量輸入字節(jié)定義

模擬輸入端參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表3，模擬量輸入端可以在下列運(yùn)行方式中運(yùn)行。

表3 模擬量輸入運(yùn)行方式設(shè)置

2 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試

PLC編程設(shè)置如下，QB56，QB57定義為電壓模擬量輸入輸出：

（1）確定控制類(lèi)型，如圖3所示。

圖3 設(shè)定控制類(lèi)型

（2）設(shè)置運(yùn)行方式，如圖4所示。

圖4 電壓讀入

（3）當(dāng)需要在屏幕上顯示主軸功率時(shí)，IW60對(duì)應(yīng)通道1電壓輸入值，屏幕顯示負(fù)載需要把模擬量數(shù)據(jù)傳送給DB1900.DBB5006，如圖5所示。輸入/輸出端模擬數(shù)值以16位數(shù)據(jù)格式寫(xiě)入和讀出，即必須按字（word）進(jìn)行讀取；模擬數(shù)字作為16位整數(shù)值使用。根據(jù)運(yùn)行方式，把測(cè)量數(shù)字與對(duì)應(yīng)的系數(shù)相乘，這樣就可以得出相應(yīng)的物理數(shù)值。此處采用的是AI系數(shù)，電壓的系數(shù)為0.00151947。測(cè)量數(shù)值=16位數(shù)值×系數(shù)。

圖5 數(shù)據(jù)讀入

3 調(diào)試試驗(yàn)

選用公司生產(chǎn)的YK83400數(shù)控銑齒機(jī)模擬主軸SP軸為試驗(yàn)對(duì)象，如圖6所示，主軸電機(jī)選用西門(mén)子1LE0001系列中的55 kW交流異步電動(dòng)機(jī)，變頻器為施耐德ATV340變頻器。

圖6 測(cè)試機(jī)床

首先在變頻器操作面板上設(shè)置變頻器輸出端口A(yíng)Q1輸出信號(hào)類(lèi)型并為AQ1分配變量，將AQ1分配為“電機(jī)功率”、AQ1定義為“電壓0-10Vdc”。

其次將讀取的模擬量信號(hào)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的主軸上，修改828D系統(tǒng)機(jī)床參數(shù)51068為對(duì)應(yīng)主軸序號(hào)[3]，例如主軸是第三軸時(shí)，設(shè)置參數(shù)MD51068$MNS_SPIND_DRIVELOAD_FROM_PLC1=4

編寫(xiě)并運(yùn)行上述PLC程序段，在828D系統(tǒng)診斷畫(huà)面上，可觀(guān)測(cè)到DB1900.DBW5006接收到數(shù)據(jù)，也就是在顯示屏上的進(jìn)度條數(shù)值。

最后進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，在機(jī)床主軸上安裝好刀具。進(jìn)行實(shí)際的加工，即可在828D系統(tǒng)界面主軸欄內(nèi)觀(guān)察到機(jī)床模擬主軸實(shí)際功率輸出情況，如圖7所示，數(shù)控系統(tǒng)屏幕上顯示的主軸負(fù)載進(jìn)度條也在6.2%。為驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可以同時(shí)在變頻器顯示面板上觀(guān)察到的變頻器上顯示的電機(jī)功率值如圖8所示，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率在6%；同時(shí)在可以發(fā)現(xiàn)兩者的結(jié)果基本一致。

圖7 主軸功率負(fù)載顯示畫(huà)面

圖8 變頻器面板顯示電機(jī)參數(shù)

然后可以操作機(jī)床控制面板上的主軸倍率旋鈕，改變主軸的旋轉(zhuǎn)倍率和速度，顯示面板上的主軸負(fù)載進(jìn)度條會(huì)隨著電機(jī)實(shí)時(shí)功率的變化而顯示不同長(zhǎng)短的進(jìn)度條，見(jiàn)表4，證明了本研究所提出的負(fù)載顯示方法可行。

表4 模擬量輸入運(yùn)行方式設(shè)置

4 結(jié)語(yǔ)

在828D數(shù)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)模擬量主軸功率顯示的方法完全滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)和用戶(hù)要求，達(dá)到了預(yù)期目的，這種方法簡(jiǎn)便易行，便于機(jī)床操作者隨時(shí)了解加工過(guò)程中主軸的負(fù)載情況，不僅簡(jiǎn)化了操作，提高了加工效率，還為機(jī)床維護(hù)提供了有價(jià)值的參考信息。