基于ＰＬＣ的數(shù)控機(jī)床電氣控制研究

摘要：主要對(duì)高精度PLC可編程數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹,提出了電氣控制系統(tǒng)總體方案以及設(shè)計(jì)框架。并詳細(xì)介紹了高精度PCB數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和各功能模塊。系統(tǒng)采用SIMOTION D、變頻器、電機(jī)、光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)為了提高生產(chǎn)率而采用工件自動(dòng)夾緊、機(jī)械手自動(dòng)換刀、斷刀檢測(cè)等多種功能,實(shí)現(xiàn)機(jī)床監(jiān)控的自動(dòng)化。 
　　PLC數(shù)控鉆床是用于對(duì)PCB板進(jìn)行加工的一種機(jī)床,其本質(zhì)是通過(guò)對(duì)孔進(jìn)行平面定位來(lái)控制微孔加工鉆床。一般運(yùn)動(dòng)執(zhí)行方式有兩種:一種是采用伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件,第二種是通過(guò)直線(xiàn)電機(jī)直接帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。新的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)技術(shù),從機(jī)床的機(jī)械部分、控制系統(tǒng)的硬件和軟件方面進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)�？梢詫�(shí)現(xiàn)高精度的閉環(huán)控制,高可靠的狀態(tài)控制,高效率的加工方式以及友好的人機(jī)界面。 
1、電氣控制總體設(shè)計(jì) 
　　1.1機(jī)械設(shè)計(jì)? 
　　總體布局采用X、Y軸分立式結(jié)構(gòu),裝配簡(jiǎn)單,兩方向運(yùn)動(dòng)質(zhì)量基本相同。X、Y軸的電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),通過(guò)螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)在X、Y方向上移動(dòng)。Z軸結(jié)構(gòu)對(duì)于高速鉆孔極其重要,設(shè)計(jì)和制造嚴(yán)格保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸和鉆孔主軸共線(xiàn)。采用上端固定下端懸臂絲杠結(jié)構(gòu),采用彈性聯(lián)軸器。滾珠絲杠和導(dǎo)軌采用國(guó)際知名品牌。機(jī)床底座,橫梁,工作臺(tái)采用全花崗石,保證高精度穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。 
　　1.2電氣控制原理? 
　　　 這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是,機(jī)讀取文件信息,把數(shù)據(jù)傳遞給SIMOTION D,再根據(jù)這些收到的數(shù)據(jù)控制電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行位置控制,光柵尺實(shí)時(shí)檢測(cè)工作臺(tái)的位置信息并傳遞給SIMOTION D,實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整滿(mǎn)足對(duì)位置的精度要求。由于光柵尺信號(hào)不能直接識(shí)別,所以通過(guò)傳感器模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳遞給SIMOTION D。被接收到主軸的轉(zhuǎn)速信息通過(guò)模擬量模塊輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓控制變頻器驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)的工作狀態(tài)可以通過(guò)多個(gè)傳感器如接近開(kāi)關(guān)、斷刀檢測(cè)傳感器、深度檢測(cè)傳感器等檢測(cè)到并傳入系統(tǒng)。這些傳感器的信號(hào)先送到擴(kuò)展模塊中,再送入SIMOTION D中,運(yùn)用強(qiáng)大的工藝處理、邏輯處理能力,對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理,從而完成整個(gè)的加工任務(wù)。 
2、PLC可編程數(shù)控機(jī)床電氣控制 
　　 為了實(shí)現(xiàn)較高的控制精度,采用變頻器、電機(jī)、光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)為了提高生產(chǎn)率,數(shù)控機(jī)床具有工件自動(dòng)夾緊、機(jī)械手自動(dòng)換刀、斷刀檢測(cè)、通信檢測(cè)自動(dòng)建立通信連接以及刀位檢測(cè)等多種功能,實(shí)現(xiàn)機(jī)床監(jiān)控的自動(dòng)化。 
　　2.1硬件結(jié)構(gòu)? 
　　數(shù)控機(jī)床是由上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件、硬件電路和機(jī)械部分組成。硬件電路負(fù)責(zé)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)、各部分之間信息的傳遞以及系統(tǒng)的保護(hù)等。 
　　(1)機(jī)械手換刀。 
　　機(jī)械手為氣動(dòng)型有兩個(gè)自由度,向上伸出機(jī)械臂和刀具加緊。分別通過(guò)對(duì)電磁閥的開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手氣缸進(jìn)氣控制使機(jī)械手可以自由的伸出、收回、加緊刀具和松開(kāi)刀具。為了刀具被正確的放回刀庫(kù),機(jī)械手的伸出長(zhǎng)度可以由SIMOTION D控制,實(shí)現(xiàn)方式為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)活塞帶有磁性,在氣缸外壁安裝磁性感應(yīng)開(kāi)關(guān),當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)感應(yīng)開(kāi)關(guān)接通,SIMOTION D收到信號(hào)后立即關(guān)閉機(jī)械手的進(jìn)氣路達(dá)到機(jī)械手限位目的。
(2)斷刀檢測(cè)。 
　　短刀檢測(cè)采用光纖傳感器,為OC門(mén)形式,三根接入線(xiàn)可以直接接24V電源,信號(hào)線(xiàn)可以通過(guò)電阻介入24V構(gòu)成電平輸出。傳感器的一根光纖輸出一束紅外線(xiàn),另一根光纖接受這束紅外線(xiàn),這樣可以通過(guò)是否被遮擋判斷道具是否失效。其原理圖如圖2所示。 
　 　　2.2系統(tǒng)功能模塊? 
　　軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的組成部分,是硬件按照要求工作的指揮者。下位機(jī)軟件是運(yùn)行在序,負(fù)責(zé)從上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行部件工作和檢測(cè)機(jī)床狀態(tài)的任務(wù)。已經(jīng)組態(tài)好軸以后就可以通過(guò)程序?qū)�軸進(jìn)行操作。SIMOTION D內(nèi)部程序是由操作系統(tǒng)調(diào)用的,SCOUT為我們提供了大量的功能塊方便調(diào)用。 
　　(1)軸使能功能塊。 
　　此功能塊主要是對(duì)即將啟動(dòng)的軸進(jìn)行初始化。在啟動(dòng)一根軸之前必須先對(duì)此軸進(jìn)行使能。步驟為在中選擇要使能的軸,選擇使能方式。 
　　(2)軸的位置控制功能塊。 
　　軸的位置控制功能塊是驅(qū)動(dòng)一根軸運(yùn)動(dòng)到指定的位置。 
　　(3)軸的回零功能塊。 
　　對(duì)于非絕對(duì)值編碼器,每次系統(tǒng)上電軸必須回零以確定軸的當(dāng)前位置。 
　　(4)關(guān)閉軸功能塊。 
　　在軸不再啟動(dòng)時(shí)可以關(guān)閉軸。在關(guān)閉軸后如果在操作軸運(yùn)動(dòng)是非法的會(huì)造成停機(jī)。 
　　2.3調(diào)試結(jié)論? 
　　本系統(tǒng)具有6根軸,使用了接近開(kāi)關(guān)、深度檢測(cè)傳感器、機(jī)械手、壓力傳感器和變頻器等多種輸入輸出器件,各器件之間的相互融合性對(duì)系統(tǒng)的性能具有決定性作用。所以本系統(tǒng)的調(diào)試工作極為重要。經(jīng)過(guò)空載調(diào)試、主軸調(diào)試、傳感器工作參數(shù)調(diào)試、自動(dòng)換刀和上位機(jī)控制調(diào)試,可以知道,高精度PLC數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)是成功的,具有高的可靠性和抗干擾能力,具備較高的動(dòng)態(tài)特性與快速反應(yīng)能力。其中電機(jī)調(diào)試中的低速鳴叫與其載波頻率相關(guān),而一般鳴叫則與其電流增益相關(guān),嚴(yán)重的振動(dòng)則是伺服增益參數(shù)需要較大調(diào)整,也就還需要進(jìn)一步努力。