機(jī)械工程論文：基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、機(jī)械工程論文：基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的核心，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，數(shù)控系統(tǒng)的性能保證是數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)?？梢哉f，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的質(zhì)量決定了控制系統(tǒng)的性能。廣義而言，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)。本文提到的系統(tǒng)是控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速、高精度、可靠的加工，因此電子控制系統(tǒng)的性能是非常重要的。本文主要分析了電氣控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)，分析了主要設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。 關(guān)鍵詞：PLC；電氣控制；數(shù)控機(jī)床； 引言 數(shù)控機(jī)床的電氣控制方式?jīng)Q定了控制系統(tǒng)的性能，機(jī)床本質(zhì)上是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其功能是將電能

2、轉(zhuǎn)化為加工技術(shù)所需的機(jī)械能。因此，電能的分配和管理是機(jī)床的能源保證，其功能與人的心臟相似。同時(shí)，本文最創(chuàng)新的一點(diǎn)是討論自動(dòng)工具設(shè)置功能。以往數(shù)控機(jī)床的設(shè)置費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無法保證其精度。借助自動(dòng)工具設(shè)置系統(tǒng)，可以方便快捷地完成工具設(shè)置任務(wù)。減少員工工作量，提高工作效率和產(chǎn)品精度。 一、電氣控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì) （一）總體設(shè)計(jì)方案 數(shù)控機(jī)床電氣控制總體方案的選擇如圖1所示。采用ARM9+a C/O S-II作為數(shù)控、CNC的主要控制系統(tǒng)，采用DSP+FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器的核心，采用PLC作為電氣輔助系統(tǒng)的控制核心。 （二）運(yùn)動(dòng)控制器模塊的主要功能 運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)框圖如圖2所示

3、，其功能是接收信息處理后的插值和控制信號(hào)，如主控制器的解碼和編譯程序，進(jìn)行速度處理和線性和圓弧插值操作，并通過與位置和速度的比較，向伺服系統(tǒng)的各種伺服系統(tǒng)產(chǎn)生插值方向和脈沖的反饋信號(hào)。 微處理器模塊：根據(jù)主控制器解碼的函數(shù)編號(hào)等信息，進(jìn)行線性加減速控制和精細(xì)插補(bǔ)計(jì)算；電弧編碼器解碼模塊：對(duì)接收到的編碼器信號(hào)進(jìn)行解碼，并將解碼結(jié)構(gòu)傳送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，獲取電機(jī)位置信息。 脈沖輸出模塊：根據(jù)微處理器的插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生插補(bǔ)脈沖和方向，發(fā)送給伺服系統(tǒng)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 通信模塊：通過MAX3490總線與主控制器進(jìn)行全雙工通信，接收上位機(jī)解碼的功能號(hào)等控制信息，并向主控制器發(fā)送相對(duì)坐標(biāo)和

4、絕對(duì)坐標(biāo)信息。 擴(kuò)展I/O模塊：預(yù)留I/O口，便于與潤滑裝置，液壓系統(tǒng)，限位開關(guān)等VO設(shè)備等輔助設(shè)備連接。 （三）數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)的主要功能 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要是指由各坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接收數(shù)控設(shè)備的饋電脈沖(運(yùn)動(dòng)控制器主要基于DSP)的FPGA系統(tǒng)架構(gòu)來完成，并驅(qū)動(dòng)各個(gè)處理坐標(biāo)軸按照轉(zhuǎn)換放大后的命令脈沖移動(dòng)。其中一些軸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，一些驅(qū)動(dòng)刀架。通過多個(gè)坐標(biāo)軸的綜合鏈接，刀具可以產(chǎn)生相對(duì)于工件的各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工所需的復(fù)雜形狀工件。本系統(tǒng)采用的伺服系統(tǒng)為三相交流永磁同步伺服系統(tǒng)，旨在改變交流伺服電機(jī)

5、的工頻，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。它有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)精度高即輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度好。 2)穩(wěn)定性好即抗干擾能力強(qiáng)。 3)快速響應(yīng)即動(dòng)態(tài)性能好，跟蹤精度高。 4)調(diào)速范圍寬 5)低速大扭矩 （四）PLC在電氣控制系統(tǒng)內(nèi)的功能 PLC（可編程邏輯控制器）通常用于設(shè)備的自動(dòng)控制，它采用PLC代替繼電器控制電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能控制。這清楚地反映在其功能控制的高度靈活性：CNC的配置軸在允許范圍內(nèi)?？刂菩盘?hào)的變化，進(jìn)給軸的激活控制，機(jī)床操作面板信號(hào)的控制，輔助信號(hào)的控制和I/O接口開關(guān)的控制等。只要改變PLC編程，相應(yīng)的配置就會(huì)立即生效，這也使得相同的數(shù)控系統(tǒng)靈活地應(yīng)用于不

6、同配置的數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床采用PLC，主要用于機(jī)床外圍的輔助電氣控制。它被稱為可編程機(jī)床控制器或PMC（可編程機(jī)床控制器） （1）機(jī)床輔助設(shè)備的控制（包括冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、自動(dòng)刀具設(shè)置、控制面板等）由PLC完成。 （2）外圍電路（強(qiáng)電路）不能直接與PLC連接，必須通過中間繼電器電路轉(zhuǎn)換外圍電路和PLC； （3）進(jìn)入PLC的必須轉(zhuǎn)換為微弱信號(hào)，用于控制外圍電路的必須轉(zhuǎn)換為強(qiáng)信號(hào)。 二、主要設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （一）主軸電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主軸的控制要求包括：主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，加速減速響應(yīng)快，低速時(shí)扭矩大，過載能力強(qiáng)等。機(jī)床主軸通常用于為機(jī)床的加工提供動(dòng)力。數(shù)

7、控機(jī)床是lokson650立式銑床，所以主軸帶動(dòng)切削工件旋轉(zhuǎn)。主軸驅(qū)動(dòng)器采用以川變頻器為核心的閉環(huán)矢量控制方式，采用增量式光電編碼器作為主軸測速儀的反饋。變頻器與系統(tǒng)通訊采用RS485總線。 （二）進(jìn)給軸電氣控制設(shè)計(jì) 這種類型的數(shù)控機(jī)床是半軌機(jī)床，即X軸和Y軸采用軌道，而Z軸采用硬軌。進(jìn)給軸與機(jī)械體使用線軌接觸面小，摩擦力和阻力小，負(fù)載能力輕。通常用于五金配件，汽車零部件等產(chǎn)品的輕載切削加工。采用硬軌方式的進(jìn)給軸表面厚，摩擦大，阻力大，承載能力強(qiáng)，可用于重型切削，一般用于加工模具產(chǎn)品。樂森650機(jī)床是介于兩者之間的產(chǎn)品，主要用于加工五金，汽車零部件，小型模具等產(chǎn)品。因此，切削要求分為：進(jìn)給

8、軸要求和主軸要求。以下是要求： （1）精度要求:①重復(fù)定位精度是0.005mm;②定位精度是0.001mm; （2）快速要求:加減速好，三軸聯(lián)動(dòng)比較順暢，跟隨性好，平均每秒加工進(jìn)度為20cm/min，最快能達(dá)到1 m/min; （3）穩(wěn)定性的要求:振動(dòng)小，抗干擾能力強(qiáng)等。 對(duì)X,Y,Z進(jìn)給軸的控制是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)里面最有難度的部分。我們選用了安川伺服電動(dòng)機(jī)(屬于三相永磁同步電機(jī)，型號(hào)為S GMGD-20ACA51)和華南理工大學(xué)研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)為SGMD-20ADA)。 由于X,Y伺服軸的要求一樣，故X,Y軸的伺服電機(jī)相同，其主要參數(shù)為:額定功率1.8KW,額定電流:3 A,

9、額定扭力500牛/米，額定電壓三相220V,額定轉(zhuǎn)速為1500RPM，最高轉(zhuǎn)速為3000RPM。對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)為:額定電壓三相220V,額定功率2KW,額定電流2A,額定頻率為50HZ。 而Z軸是硬性導(dǎo)軌，其阻力大，負(fù)載能力強(qiáng)，故他的參數(shù)與X,Y軸伺服電機(jī)不盡相同。額定功率為:2.9KW,額定電流為SA,額定扭力為1000牛/米，額定轉(zhuǎn)速為1500RPM，最大轉(zhuǎn)速為3000RPM，并且具有帶抱閘的功能。其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器也與X,Y軸伺服電機(jī)不同。型號(hào)為SGMD-30ADA,額定功率為3KW,額定電流為SA,額定電壓為三相220V,額定頻率為50HZ。 （三）PLC模塊的設(shè)計(jì) 1.

10、PLC的總體外部接線設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輔助電氣控制系統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)有兩個(gè)輸入和兩個(gè)報(bào)警輸出。冷卻系統(tǒng)還有兩個(gè)輸入和兩個(gè)報(bào)警輸出；自動(dòng)工具設(shè)置有六個(gè)輸入和六個(gè)報(bào)警輸出；照明和信號(hào)燈系統(tǒng)有一個(gè)輸入和四個(gè)輸出；換刀系統(tǒng)有5個(gè)輸入和5個(gè)輸出，因此在選擇PLC時(shí)，考慮到剩余的三分之一裕度，我們采用了匯川HCZU-2415MRPLC。它有24項(xiàng)投入和15項(xiàng)產(chǎn)出。掃描頻率高達(dá)1000Hz，完全可以滿足要求。 PLC的外部接線圖為: 2.潤滑與冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)的潤滑和冷卻電氣控制的原理和設(shè)計(jì)方案非常相似，因此將在本節(jié)中討論。機(jī)床潤滑冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，調(diào)試和維護(hù)，對(duì)提高機(jī)床加工精度，延長機(jī)床使用壽命具

11、有重要作用。然而，潤滑和冷卻系統(tǒng)的電氣控制仍存在一些問題：首先，監(jiān)測潤滑和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)；其次，潤滑和冷卻系統(tǒng)的單周期和供應(yīng)時(shí)間容易造成浪費(fèi)。針對(duì)以上兩種情況，在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中，應(yīng)改進(jìn)潤滑和冷卻系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測潤滑和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以確保機(jī)床良好的潤滑和冷卻。機(jī)床的機(jī)械部件，并根據(jù)機(jī)床的工作條件，冷卻油量和循環(huán)時(shí)間調(diào)整供油量，以節(jié)省潤滑油和冷卻油。潤滑冷卻系統(tǒng)電氣控制原理分為電機(jī)控制和PLC控制兩部分。 壓力開關(guān)開啟時(shí)，定時(shí)啟動(dòng)25分鐘。定時(shí)后，關(guān)閉壓力開關(guān)。潤滑冷卻電機(jī)在這里工作15秒和循環(huán)。同時(shí)設(shè)定X7為潤滑電機(jī)過載，設(shè)定X10為冷卻電機(jī)過載，設(shè)定X9為潤滑油不足，設(shè)定X1

12、1為冷卻液不足的切換信號(hào)。當(dāng)這些信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)控機(jī)床潤滑冷卻系統(tǒng)的PLC控制如圖8所示。PLC的工作過程可以描述如下：首先，通過兩個(gè)時(shí)間繼電器T的配合來實(shí)現(xiàn)潤滑和冷卻的間隙工作；然后，利用PLC的準(zhǔn)備信號(hào)，將專用繼電器M8001設(shè)置為1，開始第一次潤滑和冷卻。第一次潤滑冷卻后，當(dāng)壓力開關(guān)關(guān)閉時(shí)，中間繼電器M1開始工作，使?jié)櫥到y(tǒng)再次工作。在15s后，時(shí)間繼電器T2為1。當(dāng)壓力開關(guān)關(guān)閉時(shí)，中間繼電器T3為1，M1停止工作。延時(shí)25分鐘后，再次運(yùn)行。這樣就完成了潤滑系統(tǒng)的周期性動(dòng)作。然后通過X7，X8，X10和X11實(shí)現(xiàn)潤滑和冷卻系統(tǒng)的報(bào)警和手動(dòng)控制。 3.照明與信號(hào)燈系

13、統(tǒng)設(shè)計(jì) 這臺(tái)數(shù)控機(jī)床要求在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)立即打開照明系統(tǒng)。且控制柜內(nèi)照明系統(tǒng)在控制柜開閉時(shí)開啟，電氣柜門關(guān)閉時(shí)開啟。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)（表示系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒）時(shí)，信號(hào)指示燈主要為黃色；當(dāng)系統(tǒng)處于緊急停止或報(bào)警狀態(tài)時(shí)，信號(hào)指示燈為紅色；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，信號(hào)指示燈為綠色。 （四）系統(tǒng)開關(guān)和緊急停止系統(tǒng) 系統(tǒng)開關(guān)與緊急停止電路 如圖所示，常開按鈕SBO是系統(tǒng)的主開關(guān)。當(dāng)SBO被按下時(shí)，中間繼電器RALLLL通電，從而打開整個(gè)系統(tǒng)的電源，而ARM，DSP和IO板等弱電系統(tǒng)通過開關(guān)電源供電，從而整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。常閉按鈕SB1為急停按鈕，當(dāng)SB1被壓時(shí)，RA16，RA11，RA12等中間繼電器將斷電，

14、切斷主軸和進(jìn)給軸系統(tǒng)的電源，及時(shí)停止主軸和進(jìn)給軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。故障排除后，插入SB1，主軸和送紙軸將繼續(xù)供電，系統(tǒng)將繼續(xù)工作。在此過程中，由于中間繼電器RALL的通電和關(guān)閉，信號(hào)燈的紅燈將亮起，并出現(xiàn)“蜂鳴”報(bào)警，提示操作人員及時(shí)糾正錯(cuò)誤。所有進(jìn)給電機(jī)的“正、負(fù)使能”信號(hào)變?yōu)椤?”（即0），且電機(jī)停止運(yùn)行。故障排除后，根據(jù)相關(guān)動(dòng)作重啟系統(tǒng)。 三、結(jié)論 本課題主要內(nèi)容為數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)，由于項(xiàng)目的最終目標(biāo)是產(chǎn)品，我們更注重實(shí)際效果。我們對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行了長期的試運(yùn)行和加工，具體包括以下部分：對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究和分析。電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝符合數(shù)控機(jī)床的高速、高精度、高可靠性

15、和智能化要求。 參考文獻(xiàn) [1]王浩.基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2014(21):12-13. [2]王北平.基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)技術(shù)研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2013. [3]李連亮.基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2019(16). [4]梁彬,齊麗君.基于PLC的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)研究[J].科技風(fēng),2012(14):114-114. [5]申正佳.淺談PLC在數(shù)控銑床電氣控制中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2016(24):20-20. [6]荀振平,黃力哲.PLC在數(shù)控機(jī)床電氣控制方面的應(yīng)用[J].科技研究,2013(11):391-391.