PLC數(shù)控機床電氣控制簡析.doc

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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(jìn)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(guān)鍵詞：PLC；數(shù)控機床；電氣控制 目前數(shù)控機床相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對各機床各個坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制外，而且需要對機床主軸停止、轉(zhuǎn)向和進(jìn)給運動的啟動和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開 關(guān)、夾具定位等動作，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，同時還包括主軸驅(qū)動和進(jìn)給伺服驅(qū)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(shù)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(yīng)。輸出部分提供正在被控制的許多裝置中，哪幾個設(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對各機床各個坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制外，而且需要對機床電主軸停止、轉(zhuǎn)向和進(jìn)給運動的啟動和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開關(guān)、夾具定位等動作，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，同時還包括電主軸驅(qū)動和進(jìn)給伺服驅(qū)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(shù)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(guān)重要：首先要根據(jù)預(yù)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行精確定位。通過外擴模擬量I/O點對高速變頻器進(jìn)行控制，實現(xiàn)四個主軸電機可以進(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，實現(xiàn)較高的加工效率，并配備專用的冷卻水泵對電機進(jìn)行冷卻，同時實時檢測電機溫度，提供溫度保護(hù)。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(jìn)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(jìn)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(guān)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(fù)責(zé)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(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(jié)構(gòu)，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(shè)計的控制系統(tǒng)。SIMOTION的目的是為實現(xiàn)各種運動控制任務(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(fù)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(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)橹绷麟姡儆赡孀兤靼阎绷麟娮優(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。可調(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(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。因為要對X、Y和四個Z軸進(jìn)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(jìn)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(yīng)的交流伺服電機。電機可以進(jìn)行矢量控制和伺服控制，電機上還帶有旋轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)安全接口，為電機接線時，只需把相應(yīng)的插頭插入即可。 3.6光柵尺 西門子伺服電機本身帶有編碼器，但是電機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，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(jìn)行控制，要選擇一種高速變頻器。臺達(dá)V系列可以滿足高速主軸的頻率要求。由于SIMOTION上沒有用來同臺達(dá)變頻器進(jìn)行通信的485串口，所以對臺達(dá)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(dá)變頻器進(jìn)行控制。 3.8高速主軸 機床的主軸采用西風(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(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)對工作臺的回零，采用外部標(biāo)志加編碼器零位方式回零，工作臺回零時的外部標(biāo)記用接近開關(guān)來實現(xiàn)，同時4個Z軸限位，也是通過接進(jìn)開關(guān)來實現(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(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 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(qū)動電機，帶動工作臺進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號，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相應(yīng)的電壓，控制變頻器驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動。工作臺的工作狀態(tài)，可以通過多個傳感器(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(jìn)行處理，從而完成整個的加工任務(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)控機床電氣控制思想和方法，經(jīng)過長期運行，證明其設(shè)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(xiàn)： [1]李紀(jì)三，舒朝君，劉永喜.PLC在數(shù)控機床功能控制中的應(yīng)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(yīng)用[J].數(shù)控機床市場，2008，(1):94-96. 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