數(shù)控機(jī)床PLC電氣控制技術(shù)系統(tǒng)

1、數(shù)控機(jī)床PLC電氣控制技術(shù)系統(tǒng)可編程控制器是在可編程程序邏輯控制器基礎(chǔ)上發(fā)展而來，為避免與個人計算機(jī)的PC混淆，人們習(xí)慣用PLC代表可編程序控制器。目前PLC有一體式和模塊式兩種形式，一體式是把PLC的電源，中央處理器單元（CPU）、儲存器、一定數(shù)量的I/O做在一起，形成一個整體。模塊式PLC是由不同功能的模塊組合而成，有電源模塊、CUP模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、通信模塊、定位模塊、計數(shù)模塊等，與機(jī)床電路進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，就成為了自動數(shù)字化控制機(jī)床電路?，F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對各機(jī)床各個坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制外，還需要對機(jī)床主軸停止、轉(zhuǎn)向和進(jìn)給運(yùn)動

2、的啟動和停止、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，例如控制開關(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(jī)床報警處理。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，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(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，哪幾個設(shè)備需要實時操作處理。作者基于PLC控制來分

3、析對一類數(shù)控機(jī)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(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(yùn)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(jī)+運(yùn)動控制器+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

4、能，運(yùn)動控制器則體現(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)1m的精度的位置信息。同時，運(yùn)動控制器可以接入機(jī)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(yùn)動控制卡只能接入少數(shù)幾根軸，而運(yùn)動控制器可以大量擴(kuò)展軸的數(shù)目，為系統(tǒng)以后的升級帶來便利。運(yùn)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(yùn)動控制器同時可以執(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Z軸上的伺服電機(jī)，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(yùn)動，也可以分開運(yùn)動。為了提高加工精度，工作臺的X、Y軸運(yùn)動，利用光柵尺實現(xiàn)全閉

5、環(huán)控制，對工作臺進(jìn)行精確定位。通過外擴(kuò)模擬量I/O點(diǎn)對高速變頻器進(jìn)行控制，實現(xiàn)四個主軸電機(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(jī)進(jìn)行冷卻，同時實時檢測電機(jī)溫度，提供溫度保護(hù)。為每根主軸安裝機(jī)械手和刀庫，實現(xiàn)自動換刀和手動換刀可選擇。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(jī)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(jī)通訊功能，上位機(jī)可以隨時對下位機(jī)進(jìn)行

6、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，高速主軸以及多個傳感器以及限位開關(guān)組成。具體的分析及其選用如下：上位機(jī)上位機(jī)是一臺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)動控制器。3.2 S IMOTION運(yùn)動控制器SIMOTION D是整個控制系統(tǒng)地核心，所以SIMO

7、TION D的運(yùn)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(yùn)動控制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)，同時也繼承了運(yùn)動控制系統(tǒng)對運(yùn)動控制的靈活性。SIMOTION是一個全新的西門子運(yùn)動控制，它是世界上第一款針對生產(chǎn)機(jī)械而設(shè)計的控制系統(tǒng)。SIMOTION的目的是為實現(xiàn)各種運(yùn)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(kuò)展。SIMOTION主要有三大功能：3.1 運(yùn)動控制；3.2 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

8、與賦值；3.3 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。4 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(yùn)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(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

9、不能同SIMOTION通信。4.1 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(jī)控制模塊，來對6個軸進(jìn)行控制。4.2 伺服電機(jī)伺服電機(jī)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(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，用來組成一個電機(jī)位

10、置閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。電機(jī)本身所帶編碼器的精度在10m左右。電機(jī)也具有DRIVE-CLIQ接口，可以實時上傳電機(jī)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(jī)上邊全部用標(biāo)準(zhǔn)安全接口，為電機(jī)接線時，只需把相應(yīng)的插頭插入即可。4.3 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10m，離要求的5m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。4.4 變頻器數(shù)控機(jī)床的主軸速度，要求

11、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(kuò)展ET200M獲得模擬量I/O來對臺達(dá)變頻器進(jìn)行控制。4.5 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(dú)一主軸進(jìn)行保護(hù)，主軸內(nèi)置NTC溫度控制系統(tǒng)。4.6 其他傳感器近年來PLC數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展迅速，我國已經(jīng)有能力制造各類的大型尖端高精度機(jī)床，例如：航空航天，載入飛船，飛