機械工程論文：基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設計

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1、機械工程論文：基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設計 基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設計 摘要 數(shù)控機床是制造業(yè)的核心，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，數(shù)控系統(tǒng)的性能保證是數(shù)控機床的電氣控制系統(tǒng)?？梢哉f，數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的質量決定了控制系統(tǒng)的性能。廣義而言，數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)。本文提到的系統(tǒng)是控制機床實現(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)總方案設計，分析了主要設備的電氣控制系統(tǒng)設計等。 關鍵詞：PLC；電氣控制；數(shù)控機床； 引言 數(shù)控機床的電氣控制方式?jīng)Q定了控制系統(tǒng)的性能，機床本質上是機電能量轉換裝置，其功能是將電能

2、轉化為加工技術所需的機械能。因此，電能的分配和管理是機床的能源保證，其功能與人的心臟相似。同時，本文最創(chuàng)新的一點是討論自動工具設置功能。以往數(shù)控機床的設置費時費力，無法保證其精度。借助自動工具設置系統(tǒng)，可以方便快捷地完成工具設置任務。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)總方案設計 （一）總體設計方案 數(shù)控機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作為運動控制器和伺服驅動器的核心，采用PLC作為電氣輔助系統(tǒng)的控制核心。 （二）運動控制器模塊的主要功能 運動控制器系統(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，如主控制器的解碼和編譯程序，進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。 微處理器模塊：根據(jù)主控制器解碼的函數(shù)編號等信息，進行線性加減速控制和精細插補計算；電弧編碼器解碼模塊：對接收到的編碼器信號進行解碼，并將解碼結構傳送到計數(shù)器進行計數(shù)處理，獲取電機位置信息。 脈沖輸出模塊：根據(jù)微處理器的插補計算結果，產(chǎn)生插補脈沖和方向，發(fā)送給伺服系統(tǒng)，控制電機的轉動。 通信模塊：通過MAX3490總線與主控制器進行全雙工通信，接收上位機解碼的功能號等控制信息，并向主控制器發(fā)送相對坐標和

4、絕對坐標信息。 擴展I/O模塊：預留I/O口，便于與潤滑裝置，液壓系統(tǒng)，限位開關等VO設備等輔助設備連接。 （三）數(shù)控機床的伺服控制系統(tǒng)的主要功能 伺服系統(tǒng)是指以機械位置或角度為控制對象的自動控制系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)主要是指由各坐標軸驅動的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接收數(shù)控設備的饋電脈沖(運動控制器主要基于DSP)的FPGA系統(tǒng)架構來完成，并驅動各個處理坐標軸按照轉換放大后的命令脈沖移動。其中一些軸驅動工作臺，一些驅動刀架。通過多個坐標軸的綜合鏈接，刀具可以產(chǎn)生相對于工件的各種復雜的機械運動，加工所需的復雜形狀工件。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

5、的工頻，達到調節(jié)電機轉速的目的。它有以下優(yōu)點： 1)精度高即輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度好。 2)穩(wěn)定性好即抗干擾能力強。 3)快速響應即動態(tài)性能好，跟蹤精度高。 4)調速范圍寬 5)低速大扭矩 （四）PLC在電氣控制系統(tǒng)內的功能 PLC（可編程邏輯控制器）通常用于設備的自動控制，它采用PLC代替繼電器控制電路來實現(xiàn)數(shù)控機床的功能控制。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。控制信號的變化，進給軸的激活控制，機床操作面板信號的控制，輔助信號的控制和I/O接口開關的控制等。只要改變PLC編程，相應的配置就會立即生效，這也使得相同的數(shù)控系統(tǒng)靈活地應用于不

6、同配置的數(shù)控機床。數(shù)控機床采用PLC，主要用于機床外圍的輔助電氣控制。它被稱為可編程機床控制器或PMC（可編程機床控制器） （1）機床輔助設備的控制（包括冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、自動刀具設置、控制面板等）由PLC完成。 （2）外圍電路（強電路）不能直接與PLC連接，必須通過中間繼電器電路轉換外圍電路和PLC； （3）進入PLC的必須轉換為微弱信號，用于控制外圍電路的必須轉換為強信號。 二、主要設備的電氣控制系統(tǒng)設計 （一）主軸電機的電氣控制系統(tǒng)設計 主軸的控制要求包括：主軸轉速穩(wěn)定，加速減速響應快，低速時扭矩大，過載能力強等。機床主軸通常用于為機床的加工提供動力。數(shù)

7、控機床是lokson650立式銑床，所以主軸帶動切削工件旋轉。主軸驅動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）進給軸電氣控制設計 這種類型的數(shù)控機床是半軌機床，即X軸和Y軸采用軌道，而Z軸采用硬軌。進給軸與機械體使用線軌接觸面小，摩擦力和阻力小，負載能力輕。通常用于五金配件，汽車零部件等產(chǎn)品的輕載切削加工。采用硬軌方式的進給軸表面厚，摩擦大，阻力大，承載能力強，可用于重型切削，一般用于加工模具產(chǎn)品。樂森650機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：進給

8、軸要求和主軸要求。以下是要求： （1）精度要求:①重復定位精度是0.005mm;②定位精度是0.001mm; （2）快速要求:加減速好，三軸聯(lián)動比較順暢，跟隨性好，平均每秒加工進度為20cm/min，最快能達到1 m/min; （3）穩(wěn)定性的要求:振動小，抗干擾能力強等。 對X,Y,Z進給軸的控制是整個電氣控制系統(tǒng)里面最有難度的部分。我們選用了安川伺服電動機(屬于三相永磁同步電機，型號為S GMGD-20ACA51)和華南理工大學研發(fā)的伺服驅動器(型號為SGMD-20ADA)。 由于X,Y伺服軸的要求一樣，故X,Y軸的伺服電機相同，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,額定轉速為1500RPM，最高轉速為3000RPM。對應的伺服電機驅動器的參數(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軸是硬性導軌，其阻力大，負載能力強，故他的參數(shù)與X,Y軸伺服電機不盡相同。額定功率為:2.9KW,額定電流為SA,額定扭力為1000牛/米，額定轉速為1500RPM，最大轉速為3000RPM，并且具有帶抱閘的功能。其對應的驅動器也與X,Y軸伺服電機不同。型號為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模塊的設計 1.

10、PLC的總體外部接線設計 系統(tǒng)輔助電氣控制系統(tǒng)的潤滑系統(tǒng)有兩個輸入和兩個報警輸出。冷卻系統(tǒng)還有兩個輸入和兩個報警輸出；自動工具設置有六個輸入和六個報警輸出；照明和信號燈系統(tǒng)有一個輸入和四個輸出；換刀系統(tǒng)有5個輸入和5個輸出，因此在選擇PLC時，考慮到剩余的三分之一裕度，我們采用了匯川HCZU-2415MRPLC。它有24項投入和15項產(chǎn)出。掃描頻率高達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)設計 由于系統(tǒng)的潤滑和冷卻電氣控制的原理和設計方案非常相似，因此將在本節(jié)中討論。機床潤滑冷卻系統(tǒng)的設計，調試和維護，對提高機床加工精度，延長機床使用壽命具

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)的單周期和供應時間容易造成浪費。針對以上兩種情況，在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中，應改進潤滑和冷卻系統(tǒng)，隨時監(jiān)測潤滑和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以確保機床良好的潤滑和冷卻。機床的機械部件，并根據(jù)機床的工作條件，冷卻油量和循環(huán)時間調整供油量，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控制和PLC控制兩部分。 壓力開關開啟時，定時啟動25分鐘。定時后，關閉壓力開關。潤滑冷卻電機在這里工作15秒和循環(huán)。同時設定X7為潤滑電機過載，設定X10為冷卻電機過載，設定X9為潤滑油不足，設定X1

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

13、統(tǒng)設計 這臺數(shù)控機床要求在機器啟動時立即打開照明系統(tǒng)。且控制柜內照明系統(tǒng)在控制柜開閉時開啟，電氣柜門關閉時開啟。當系統(tǒng)啟動（表示系統(tǒng)準備就緒）時，信號指示燈主要為黃色；當系統(tǒng)處于緊急停止或報警狀態(tài)時，信號指示燈為紅色；當系統(tǒng)運行正常時，信號指示燈為綠色。 （四）系統(tǒng)開關和緊急停止系統(tǒng) 系統(tǒng)開關與緊急停止電路 如圖所示，常開按鈕SBO是系統(tǒng)的主開關。當SBO被按下時，中間繼電器RALLLL通電，從而打開整個系統(tǒng)的電源，而ARM，DSP和IO板等弱電系統(tǒng)通過開關電源供電，從而整個系統(tǒng)能夠正常運行。常閉按鈕SB1為急停按鈕，當SB1被壓時，RA16，RA11，RA12等中間繼電器將斷電，

14、切斷主軸和進給軸系統(tǒng)的電源，及時停止主軸和進給軸的轉動。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的通電和關閉，信號燈的紅燈將亮起，并出現(xiàn)“蜂鳴”報警，提示操作人員及時糾正錯誤。所有進給電機的“正、負使能”信號變?yōu)椤?”（即0），且電機停止運行。故障排除后，根據(jù)相關動作重啟系統(tǒng)。 三、結論 本課題主要內容為數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)，由于項目的最終目標是產(chǎn)品，我們更注重實際效果。我們對數(shù)控機床進行了長期的試運行和加工，具體包括以下部分：對數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)進行了深入的研究和分析。電氣控制系統(tǒng)的設計和安裝符合數(shù)控機床的高速、高精度、高可靠性

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