PLC數(shù)控機(jī)床電氣控制簡析.doc

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基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制簡析 摘要：對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的控制方式、系統(tǒng)功能、主要實(shí)現(xiàn)部件，進(jìn)行了選擇和分析，然后給出一個(gè)完整的基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)工作原理方案。 關(guān)鍵詞：PLC；數(shù)控機(jī)床；電氣控制 目前數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對(duì)各機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制外，而且需要對(duì)機(jī)床主軸停止、轉(zhuǎn)向和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和停止、刀庫及換刀機(jī)械手控制、切削液開 關(guān)、夾具定位等動(dòng)作，進(jìn)行特性次序控制。特定次序的控制信息，由輸入/輸出控制，如控制開關(guān)、行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫度開關(guān)等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控制，同時(shí)還包括主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的使能控制和機(jī)床報(bào)警處理等[1~5]。 隨著可編程序控制器（PLC）技術(shù)的發(fā)展，上述綜合功能是可以由數(shù)控機(jī)床中的可編程序控制器來完成的[1~2]。它是由輸入部分，邏輯部分和輸出部分組成，輸入部分收集并保存被控制部分實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，邏輯部分處理輸入部分所取得的信息，并判斷哪些功能需做出輸出反應(yīng)。輸出部分提供正在被控制的許多裝置中，哪幾個(gè)設(shè)備需要實(shí)時(shí)操作處理。筆者基于PLC控制來分析對(duì)一類數(shù)控機(jī)床的電氣控制設(shè)計(jì)，主要包括對(duì)控制方式的選擇和分析；對(duì)電氣控制系統(tǒng)中的主要實(shí)現(xiàn)部件進(jìn)行分析和選用，以及提出完整的基于PLC的數(shù)控機(jī)床電 氣控制系統(tǒng)工作原理方案。 1基于P LC的數(shù)控機(jī)床電氣控制方式的選擇 1.1P LC的數(shù)控機(jī)床電氣控制方式 對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的控制方式、系統(tǒng)功能、主要實(shí)現(xiàn)部件，進(jìn)行了選擇和分析，然后給出一個(gè)完整的基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)工作原理方案。目前數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對(duì)各機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制外，而且需要對(duì)機(jī)床電主軸停止、轉(zhuǎn)向和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和停止、刀庫及換刀機(jī)械手控制、切削液開關(guān)、夾具定位等動(dòng)作，進(jìn)行特性次序控制。特定次序的控制信息，由輸入/輸出控制，如控制開關(guān)、行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫度開關(guān)等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控制，同時(shí)還包括電主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的使能控制和機(jī)床報(bào)警處理等。 1.2P LC的數(shù)控機(jī)床電氣控制選擇 隨著可編程序控制器（PLC）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床電氣控制方式優(yōu)劣，決定了控制系統(tǒng)的成敗。本文所提及的系統(tǒng)，要控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速高精度的加工，所以系統(tǒng)的性能至關(guān)重要：首先要根據(jù)預(yù)定要求和被控對(duì)象的特征、控制精度、系統(tǒng)運(yùn)行速度等限制進(jìn)行了綜合考慮，同時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比等因素，確定X、Y軸采用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器+電機(jī)+光柵尺的方式進(jìn)行閉環(huán)控制。采用此種方式，PC機(jī)發(fā)揮了強(qiáng)大的文件處理功能、人機(jī)交互功能以及高速的數(shù)據(jù)處理功能，運(yùn)動(dòng)控制器則體現(xiàn)了高可靠性、高速性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，光柵尺則為系統(tǒng)提供了高達(dá)1μm的精度的位置信息。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器可以接入機(jī)床的各種傳感器，并及時(shí)做出處理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)控制卡只能接入少數(shù)幾根軸，而運(yùn)動(dòng)控制器可以大量擴(kuò)展軸的數(shù)目，為系統(tǒng)以后的升級(jí)帶來便利。運(yùn)動(dòng)控制器同時(shí)還可以通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口接入一個(gè)PLC系統(tǒng)，即運(yùn)動(dòng)控制器同時(shí)可以執(zhí)行PLC功能。 2數(shù)控機(jī)床的功能分析 本文分析的數(shù)控機(jī)床，是一拖四的機(jī)床，有X、Y軸和四個(gè)Z軸上的伺服電機(jī)，來進(jìn)行工作臺(tái)定位；X、Y、Z軸可以聯(lián)動(dòng)，四個(gè)Z軸可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可以分開運(yùn)動(dòng)。為了提高加工精度，工作臺(tái)的X、Y軸運(yùn)動(dòng)，利用光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行精確定位。通過外擴(kuò)模擬量I/O點(diǎn)對(duì)高速變頻器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)四個(gè)主軸電機(jī)可以進(jìn)行啟停分開控制，轉(zhuǎn)速同步控制。X、Y軸進(jìn)行兩側(cè)硬限位和軟限位雙重保護(hù)，對(duì)Z軸下側(cè)進(jìn)行軟硬限位。主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)16萬r/min，實(shí)現(xiàn)較高的加工效率，并配備專用的冷卻水泵對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測電機(jī)溫度，提供溫度保護(hù)。為每根主軸安裝機(jī)械手和刀庫，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀和手動(dòng)換刀可選擇。為了提高加工質(zhì)量，機(jī)械手換刀后，進(jìn)行刀具深度和位置檢測。加工過程中，實(shí)時(shí)檢測刀具磨損以及斷刀情況，出現(xiàn)刀具失效，可以自動(dòng)通過機(jī)械手換刀或者提示操作者手動(dòng)換刀。為了穩(wěn)定加工，系統(tǒng)具有高速的上下位機(jī)通訊功能，上位機(jī)可以隨時(shí)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，下位機(jī)也把各種信息傳到上位機(jī)。 3電氣控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)由PC機(jī)(工控機(jī))，SIMOTION，電源模塊，電機(jī)模塊，電機(jī)，光柵尺，SMC30(傳感器模塊)，分布式1/0ET200M(包括數(shù)字量模塊和模擬量模塊)，機(jī)械手，主軸變頻器，高速主軸以及多個(gè)傳感器以及限位開關(guān)組成。具體的分析及其選用如下： 3.1上位機(jī) 上位機(jī)是一臺(tái)PC機(jī)(工控機(jī))，主要負(fù)責(zé)從加工文件中讀取需要數(shù)控機(jī)床加工流程（以鉆孔為例）的鉆孔的孔位和孔徑信息，以及為用戶提供友好的界面設(shè)定加工參數(shù)，最后通過TCP/IP協(xié)議，把這些數(shù)據(jù)傳到運(yùn)動(dòng)控制器。 3.2 S IMOTION運(yùn)動(dòng)控制器SIMOTION D是整個(gè)控制系統(tǒng)地核心，所以SIMOTION D的運(yùn)行速度和可靠性，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性影響。本系統(tǒng)選擇的SIMOTIOND內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由西門子PLC5300和西門子的運(yùn)動(dòng)控制CPU組合而成，所以繼承了PLC工業(yè)運(yùn)用上的高可靠性優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也繼承了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的靈活性。SIMOTION是一個(gè)全新的西門子運(yùn)動(dòng)控制，它是世界上第一款針對(duì)生產(chǎn)機(jī)械而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。SIMOTION的目的是為實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)提供一種簡單、靈活的控制系統(tǒng)。為了確保成為最佳的控制方案，SIMOTION的功能得到了很大程度的擴(kuò)展。SIMOTION主要有三大功能： （1）運(yùn)動(dòng)控制； （2）邏輯控制，例如，對(duì)輸入信號(hào)的邏輯門處理，以及對(duì)輸出信號(hào)的分析與賦值； （3）工藝控制，例如壓力控制、溫度控制等。目前SIMOTION面向的行業(yè)，主要是運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、速度及精度的要求較高的制造機(jī)械、包裝機(jī)械，橡塑機(jī)械，鍛壓機(jī)械，紡織機(jī)械，以及其他生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域。 3.3電源模塊 一般變頻器的工作方式，為先把一定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟?，再由逆變器把直流電變?yōu)橹付l率的交流電。SIMO-TION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用通過電源模塊把工業(yè)交流電變?yōu)橹绷麟?，再分配給多個(gè)電機(jī)模塊的方式。電源模塊分為可調(diào)電源模塊和不可調(diào)電源模塊?？烧{(diào)電源模塊，可以根據(jù)參數(shù)把它轉(zhuǎn)化出來的直流電穩(wěn)定到一個(gè)指定的可變值，并且具有與SIMOTION通信的功能；不可調(diào)電源模塊，只能輸出一個(gè)固定的直流電壓，而且不能同SIMOTION通信。 3.4電機(jī)模塊 電機(jī)模塊主要是把540V或600V的直流電，逆變成指定頻率的三相交流電，供給電機(jī)使用。目前的電機(jī)模塊有兩種類型：書本型和裝機(jī)裝柜型。書本型又分為單軸電機(jī)模塊和雙軸電機(jī)模塊，單軸為3-200A；雙軸為3-18A；電機(jī)模塊和主控單元之間通過DRIVE-CLIQ接口，進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。因?yàn)橐獙?duì)X、Y和四個(gè)Z軸進(jìn)行伺服控制，所以采用3個(gè)書本型雙電機(jī)控制模塊，來對(duì)6個(gè)軸進(jìn)行控制。 3.5伺服電機(jī) 伺服電機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)力提供者，本系統(tǒng)的X、Y和4個(gè)Z軸，都采用的是高動(dòng)態(tài)相應(yīng)的交流伺服電機(jī)。電機(jī)可以進(jìn)行矢量控制和伺服控制，電機(jī)上還帶有旋轉(zhuǎn)編碼器，用來組成一個(gè)電機(jī)位置閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。電機(jī)本身所帶編碼器的精度在10μm左右。電機(jī)也具有DRIVE-CLIQ接口，可以實(shí)時(shí)上傳電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，在系統(tǒng)自動(dòng)組態(tài)時(shí)，可以上傳自己的銘牌數(shù)據(jù)，極大地方便了系統(tǒng)組態(tài)。同時(shí)電機(jī)上邊全部用標(biāo)準(zhǔn)安全接口，為電機(jī)接線時(shí)，只需把相應(yīng)的插頭插入即可。 3.6光柵尺 西門子伺服電機(jī)本身帶有編碼器，但是電機(jī)編碼器的精度只能達(dá)到10μm，離要求的5μm差距較大。所以用外部光柵尺檢測工作臺(tái)的位置，并把精確的位置信息通過SMC30(傳感器模塊)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，傳遞給SIMOTION進(jìn)行處理。光柵尺選用業(yè)界知名的RENISHAW公司產(chǎn)品中的RG4系列。 3.7變頻器 數(shù)控機(jī)床的主軸速度，要求的非常高(12萬r/min以上)，所以為了對(duì)高速主軸進(jìn)行控制，要選擇一種高速變頻器。臺(tái)達(dá)V系列可以滿足高速主軸的頻率要求。由于SIMOTION上沒有用來同臺(tái)達(dá)變頻器進(jìn)行通信的485串口，所以對(duì)臺(tái)達(dá)變頻器的控制，采用模擬量控制方式。方案為SIMOTION D擴(kuò)展ET200M獲得模擬量I/O來對(duì)臺(tái)達(dá)變頻器進(jìn)行控制。 3.8高速主軸 機(jī)床的主軸采用西風(fēng)的F16 160000RPM高效率PCB鉆孔主軸，采用全流道冷卻系統(tǒng)，是一種高精度、高壽命、高穩(wěn)定性的全功能PCB鉆孔主軸。刀具加緊方式，采用啟動(dòng)夾緊方式，冷卻系統(tǒng)則為干凈的水循環(huán)利用，不能使用去離子水。為了對(duì)獨(dú)一主軸進(jìn)行保護(hù)，主軸內(nèi)置NTC溫度控制系統(tǒng)。 3.9其他傳感器 （）lOMRON接進(jìn)開關(guān)。本系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的回零，采用外部標(biāo)志加編碼器零位方式回零，工作臺(tái)回零時(shí)的外部標(biāo)記用接近開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)4個(gè)Z軸限位，也是通過接進(jìn)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。本控制系統(tǒng)的限位回零采用此接近開關(guān)。 （2）深度檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以采用機(jī)械手自動(dòng)換刀或者手動(dòng)換刀，由于換刀過程中，會(huì)出現(xiàn)刀具的夾裝位置不同，造成鉆孔深度不同，也會(huì)出現(xiàn)刀具安裝傾斜等情況。NCPCB ToolSetting Device(刀具檢測系統(tǒng))可以在自動(dòng)換刀或者手動(dòng)換刀后，進(jìn)行檢測刀具深度以及方向是否正確。 4電氣控制系統(tǒng)總體工作方案設(shè)計(jì) 該電氣控制系統(tǒng)總體工作方案是：PC機(jī)讀取文件信息，把數(shù)據(jù)傳遞給SIMOTION D；SIMOTION D再根據(jù)這些收到的數(shù)據(jù)，控制電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行位置控制；光柵尺實(shí)時(shí)檢測工作臺(tái)的位置信息，并傳遞給SIMOTION D，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整，滿足對(duì)位置的精度要求。由于光柵尺信號(hào)不能由SIMOTION D直接識(shí)別，所以通過傳感器模塊SMC30轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，傳遞給SIMOTION D。被ET200M從SIMOTION D接收到主軸的轉(zhuǎn)速信息，通過模擬量模塊輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓，控制變頻器驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)的工作狀態(tài)，可以通過多個(gè)傳感器(如接近開關(guān)、斷刀檢測傳感器、深度檢測傳感器等)檢測到并傳入系統(tǒng)。這些傳感器的信號(hào)先送到SIMOTION的擴(kuò)展模塊ET200中，再送入SIMOTION中，運(yùn)用SIMOTION強(qiáng)大的工藝處理、邏輯處理能力，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，從而完成整個(gè)的加工任務(wù)。 5結(jié)束語 數(shù)控設(shè)備在我國已廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用，但水平還不高，這嚴(yán)重制約著我國生產(chǎn)加工工藝的提高。究其原因，主要體現(xiàn)在電氣控制部分。本文給出的數(shù)控機(jī)床電氣控制思想和方法，經(jīng)過長期運(yùn)行，證明其設(shè)計(jì)合理，控制精度高，性能可靠，能大大提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，不失為一種優(yōu)秀的數(shù)控電氣控制方案。 參考文獻(xiàn)： [1]李紀(jì)三，舒朝君，劉永喜.PLC在數(shù)控機(jī)床功能控制中的應(yīng)用[J].機(jī)床電器，2008，35(2):12-14 [2]盧成斌.PLC和變頻器在車床數(shù)控改造中的應(yīng)用[J].數(shù)控機(jī)床市場，2008，(1):94-96. 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