PLC數(shù)控機床電氣控制簡析.doc

《PLC數(shù)控機床電氣控制簡析.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《PLC數(shù)控機床電氣控制簡析.doc（5頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

基于PLC的數(shù)控機床電氣控制簡析 摘要：對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的控制方式、系統(tǒng)功能、主要實現(xiàn)部件，進行了選擇和分析，然后給出一個完整的基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)工作原理方案。 關鍵詞：PLC；數(shù)控機床；電氣控制 目前數(shù)控機床相關技術的發(fā)展，不僅要對各機床各個坐標軸的位置進行連續(xù)控制外，而且需要對機床主軸停止、轉向和進給運動的啟動和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開 關、夾具定位等動作，進行特性次序控制。特定次序的控制信息，由輸入/輸出控制，如控制開關、行程開關、壓力開關、溫度開關等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控制，同時還包括主軸驅動和進給伺服驅動的使能控制和機床報警處理等[1~5]。 隨著可編程序控制器（PLC）技術的發(fā)展，上述綜合功能是可以由數(shù)控機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際運行的數(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。輸出部分提供正在被控制的許多裝置中，哪幾個設備需要實時操作處理。筆者基于PLC控制來分析對一類數(shù)控機床的電氣控制設計，主要包括對控制方式的選擇和分析；對電氣控制系統(tǒng)中的主要實現(xiàn)部件進行分析和選用，以及提出完整的基于PLC的數(shù)控機床電 氣控制系統(tǒng)工作原理方案。 1基于P LC的數(shù)控機床電氣控制方式的選擇 1.1P LC的數(shù)控機床電氣控制方式 對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的控制方式、系統(tǒng)功能、主要實現(xiàn)部件，進行了選擇和分析，然后給出一個完整的基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)工作原理方案。目前數(shù)控機床相關技術的發(fā)展，不僅要對各機床各個坐標軸的位置進行連續(xù)控制外，而且需要對機床電主軸停止、轉向和進給運動的啟動和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開關、夾具定位等動作，進行特性次序控制。特定次序的控制信息，由輸入/輸出控制，如控制開關、行程開關、壓力開關、溫度開關等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控制，同時還包括電主軸驅動和進給伺服驅動的使能控制和機床報警處理等。 1.2P LC的數(shù)控機床電氣控制選擇 隨著可編程序控制器（PLC）技術的發(fā)展，數(shù)控機床電氣控制方式優(yōu)劣，決定了控制系統(tǒng)的成敗。本文所提及的系統(tǒng)，要控制機床實現(xiàn)高速高精度的加工，所以系統(tǒng)的性能至關重要：首先要根據(jù)預定要求和被控對象的特征、控制精度、系統(tǒng)運行速度等限制進行了綜合考慮，同時，充分考慮系統(tǒng)的性能價格比等因素，確定X、Y軸采用PC機+運動控制器+電機+光柵尺的方式進行閉環(huán)控制。采用此種方式，PC機發(fā)揮了強大的文件處理功能、人機交互功能以及高速的數(shù)據(jù)處理功能，運動控制器則體現(xiàn)了高可靠性、高速性、高精度等優(yōu)點，光柵尺則為系統(tǒng)提供了高達1μm的精度的位置信息。同時，運動控制器可以接入機床的各種傳感器，并及時做出處理，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。運動控制卡只能接入少數(shù)幾根軸，而運動控制器可以大量擴展軸的數(shù)目，為系統(tǒng)以后的升級帶來便利。運動控制器同時還可以通過一個標準接口接入一個PLC系統(tǒng)，即運動控制器同時可以執(zhí)行PLC功能。 2數(shù)控機床的功能分析 本文分析的數(shù)控機床，是一拖四的機床，有X、Y軸和四個Z軸上的伺服電機，來進行工作臺定位；X、Y、Z軸可以聯(lián)動，四個Z軸可以同時運動，也可以分開運動。為了提高加工精度，工作臺的X、Y軸運動，利用光柵尺實現(xiàn)全閉環(huán)控制，對工作臺進行精確定位。通過外擴模擬量I/O點對高速變頻器進行控制，實現(xiàn)四個主軸電機可以進行啟停分開控制，轉速同步控制。X、Y軸進行兩側硬限位和軟限位雙重保護，對Z軸下側進行軟硬限位。主軸轉速高達16萬r/min，實現(xiàn)較高的加工效率，并配備專用的冷卻水泵對電機進行冷卻，同時實時檢測電機溫度，提供溫度保護。為每根主軸安裝機械手和刀庫，實現(xiàn)自動換刀和手動換刀可選擇。為了提高加工質(zhì)量，機械手換刀后，進行刀具深度和位置檢測。加工過程中，實時檢測刀具磨損以及斷刀情況，出現(xiàn)刀具失效，可以自動通過機械手換刀或者提示操作者手動換刀。為了穩(wěn)定加工，系統(tǒng)具有高速的上下位機通訊功能，上位機可以隨時對下位機進行控制，下位機也把各種信息傳到上位機。 3電氣控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)由PC機(工控機)，SIMOTION，電源模塊，電機模塊，電機，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)，機械手，主軸變頻器，高速主軸以及多個傳感器以及限位開關組成。具體的分析及其選用如下： 3.1上位機 上位機是一臺PC機(工控機)，主要負責從加工文件中讀取需要數(shù)控機床加工流程（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)傳到運動控制器。 3.2 S IMOTION運動控制器SIMOTION D是整個控制系統(tǒng)地核心，所以SIMOTION D的運行速度和可靠性，會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生決定性影響。本系統(tǒng)選擇的SIMOTIOND內(nèi)部結構，是由西門子PLC5300和西門子的運動控制CPU組合而成，所以繼承了PLC工業(yè)運用上的高可靠性優(yōu)點，同時也繼承了運動控制系統(tǒng)對運動控制的靈活性。SIMOTION是一個全新的西門子運動控制，它是世界上第一款針對生產(chǎn)機械而設計的控制系統(tǒng)。SIMOTION的目的是為實現(xiàn)各種運動控制任務提供一種簡單、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展。SIMOTION主要有三大功能： （1）運動控制； （2）邏輯控制，例如，對輸入信號的邏輯門處理，以及對輸出信號的分析與賦值； （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)，主要是運動復雜、速度及精度的要求較高的制造機械、包裝機械，橡塑機械，鍛壓機械，紡織機械，以及其他生產(chǎn)機械領域。 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運動控制系統(tǒng)，采用通過電源模塊把工業(yè)交流電變?yōu)橹绷麟?，再分配給多個電機模塊的方式。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)把它轉化出來的直流電穩(wěn)定到一個指定的可變值，并且具有與SIMOTION通信的功能；不可調(diào)電源模塊，只能輸出一個固定的直流電壓，而且不能同SIMOTION通信。 3.4電機模塊 電機模塊主要是把540V或600V的直流電，逆變成指定頻率的三相交流電，供給電機使用。目前的電機模塊有兩種類型：書本型和裝機裝柜型。書本型又分為單軸電機模塊和雙軸電機模塊，單軸為3-200A；雙軸為3-18A；電機模塊和主控單元之間通過DRIVE-CLIQ接口，進行快速數(shù)據(jù)交換。因為要對X、Y和四個Z軸進行伺服控制，所以采用3個書本型雙電機控制模塊，來對6個軸進行控制。 3.5伺服電機 伺服電機是數(shù)控系統(tǒng)的動力提供者，本系統(tǒng)的X、Y和4個Z軸，都采用的是高動態(tài)相應的交流伺服電機。電機可以進行矢量控制和伺服控制，電機上還帶有旋轉編碼器，用來組成一個電機位置閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對電機的精確控制。電機本身所帶編碼器的精度在10μm左右。電機也具有DRIVE-CLIQ接口，可以實時上傳電機的狀態(tài)參數(shù)，在系統(tǒng)自動組態(tài)時，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)。同時電機上邊全部用標準安全接口，為電機接線時，只需把相應的插頭插入即可。 3.6光柵尺 西門子伺服電機本身帶有編碼器，但是電機編碼器的精度只能達到10μm，離要求的5μm差距較大。所以用外部光柵尺檢測工作臺的位置，并把精確的位置信息通過SMC30(傳感器模塊)轉換成標準信號，傳遞給SIMOTION進行處理。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)控機床的主軸速度，要求的非常高(12萬r/min以上)，所以為了對高速主軸進行控制，要選擇一種高速變頻器。臺達V系列可以滿足高速主軸的頻率要求。由于SIMOTION上沒有用來同臺達變頻器進行通信的485串口，所以對臺達變頻器的控制，采用模擬量控制方式。方案為SIMOTION D擴展ET200M獲得模擬量I/O來對臺達變頻器進行控制。 3.8高速主軸 機床的主軸采用西風的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。為了對獨一主軸進行保護，主軸內(nèi)置NTC溫度控制系統(tǒng)。 3.9其他傳感器 （）lOMRON接進開關。本系統(tǒng)對工作臺的回零，采用外部標志加編碼器零位方式回零，工作臺回零時的外部標記用接近開關來實現(xiàn)，同時4個Z軸限位，也是通過接進開關來實現(xiàn)的。本控制系統(tǒng)的限位回零采用此接近開關。 （2）深度檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以采用機械手自動換刀或者手動換刀，由于換刀過程中，會出現(xiàn)刀具的夾裝位置不同，造成鉆孔深度不同，也會出現(xiàn)刀具安裝傾斜等情況。NCPCB ToolSetting Device(刀具檢測系統(tǒng))可以在自動換刀或者手動換刀后，進行檢測刀具深度以及方向是否正確。 4電氣控制系統(tǒng)總體工作方案設計 該電氣控制系統(tǒng)總體工作方案是：PC機讀取文件信息，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)，控制電機模塊驅動電機，帶動工作臺進行位置控制；光柵尺實時檢測工作臺的位置信息，并傳遞給SIMOTION D，實現(xiàn)對工作臺進行位置調(diào)整，滿足對位置的精度要求。由于光柵尺信號不能由SIMOTION D直接識別，所以通過傳感器模塊SMC30轉換為標準的信號，傳遞給SIMOTION D。被ET200M從SIMOTION D接收到主軸的轉速信息，通過模擬量模塊輸出一個相應的電壓，控制變頻器驅動主軸轉動。工作臺的工作狀態(tài)，可以通過多個傳感器(如接近開關、斷刀檢測傳感器、深度檢測傳感器等)檢測到并傳入系統(tǒng)。這些傳感器的信號先送到SIMOTION的擴展模塊ET200中，再送入SIMOTION中，運用SIMOTION強大的工藝處理、邏輯處理能力，對這些信號進行處理，從而完成整個的加工任務。 5結束語 數(shù)控設備在我國已廣泛生產(chǎn)和應用，但水平還不高，這嚴重制約著我國生產(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)控機床電氣控制思想和方法，經(jīng)過長期運行，證明其設計合理，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： [1]李紀三，舒朝君，劉永喜.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應用[J].機床電器，2008，35(2):12-14 [2]盧成斌.PLC和變頻器在車床數(shù)控改造中的應用[J].數(shù)控機床市場，2008，(1):94-96. [3]李鐵軍，張淑敏.PLC在數(shù)控機床電氣控制方面的應用[J].機械工程師，2005，(9):23-25.