基于ＰＬＣ的數控機床電氣控制研究

摘要：主要對高精度PLC可編程數控機床的電氣控制系統(tǒng)進行介紹,提出了電氣控制系統(tǒng)總體方案以及設計框架。并詳細介紹了高精度PCB數控機床的電氣控制系統(tǒng)的硬件設計和各功能模塊。系統(tǒng)采用SIMOTION D、變頻器、電機、光柵尺構成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了提高生產率而采用工件自動夾緊、機械手自動換刀、斷刀檢測等多種功能,實現機床監(jiān)控的自動化。 
　　PLC數控鉆床是用于對PCB板進行加工的一種機床,其本質是通過對孔進行平面定位來控制微孔加工鉆床。一般運動執(zhí)行方式有兩種:一種是采用伺服電機或者步進電機和滾珠絲杠作為運動執(zhí)行部件,第二種是通過直線電機直接帶動工作臺運動。新的電氣控制系統(tǒng)設計采用模塊化的設計技術,從機床的機械部分、控制系統(tǒng)的硬件和軟件方面進行全新的設計�？梢詫崿F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界面。 
1、電氣控制總體設計 
　　1.1機械設計? 
　　總體布局采用X、Y軸分立式結構,裝配簡單,兩方向運動質量基本相同。X、Y軸的電機帶動滾珠絲杠旋轉,通過螺母副帶動工作臺在X、Y方向上移動。Z軸結構對于高速鉆孔極其重要,設計和制造嚴格保證驅動電機主軸和鉆孔主軸共線。采用上端固定下端懸臂絲杠結構,采用彈性聯軸器。滾珠絲杠和導軌采用國際知名品牌。機床底座,橫梁,工作臺采用全花崗石,保證高精度穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。 
　　1.2電氣控制原理? 
　　　 這個系統(tǒng)的工作原理是,機讀取文件信息,把數據傳遞給SIMOTION D,再根據這些收到的數據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,實現對工作臺進行位置調整滿足對位置的精度要求。由于光柵尺信號不能直接識別,所以通過傳感器模塊轉換為標準的信號傳遞給SIMOTION D。被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擴展模塊中,再送入SIMOTION D中,運用強大的工藝處理、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。 
2、PLC可編程數控機床電氣控制 
　　 為了實現較高的控制精度,采用變頻器、電機、光柵尺構成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了提高生產率,數控機床具有工件自動夾緊、機械手自動換刀、斷刀檢測、通信檢測自動建立通信連接以及刀位檢測等多種功能,實現機床監(jiān)控的自動化。 
　　2.1硬件結構? 
　　數控機床是由上位機軟件、下位機軟件、硬件電路和機械部分組成。硬件電路負責機床的驅動、各部分之間信息的傳遞以及系統(tǒng)的保護等。 
　　(1)機械手換刀。 
　　機械手為氣動型有兩個自由度,向上伸出機械臂和刀具加緊。分別通過對電磁閥的開關控制實現對機械手氣缸進氣控制使機械手可以自由的伸出、收回、加緊刀具和松開刀具。為了刀具被正確的放回刀庫,機械手的伸出長度可以由SIMOTION D控制,實現方式為機械手的運動活塞帶有磁性,在氣缸外壁安裝磁性感應開關,當機械手運動到某一位置時感應開關接通,SIMOTION D收到信號后立即關閉機械手的進氣路達到機械手限位目的。
(2)斷刀檢測。 
　　短刀檢測采用光纖傳感器,為OC門形式,三根接入線可以直接接24V電源,信號線可以通過電阻介入24V構成電平輸出。傳感器的一根光纖輸出一束紅外線,另一根光纖接受這束紅外線,這樣可以通過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? 
　　軟件的設計是整個系統(tǒng)的組成部分,是硬件按照要求工作的指揮者。下位機軟件是運行在序,負責從上位機接收數據并控制執(zhí)行部件工作和檢測機床狀態(tài)的任務。已經組態(tài)好軸以后就可以通過程序對軸進行操作。SIMOTION D內部程序是由操作系統(tǒng)調用的,SCOUT為我們提供了大量的功能塊方便調用。 
　　(1)軸使能功能塊。 
　　此功能塊主要是對即將啟動的軸進行初始化。在啟動一根軸之前必須先對此軸進行使能。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動一根軸運動到指定的位置。 
　　(3)軸的回零功能塊。 
　　對于非絕對值編碼器,每次系統(tǒng)上電軸必須回零以確定軸的當前位置。 
　　(4)關閉軸功能塊。 
　　在軸不再啟動時可以關閉軸。在關閉軸后如果在操作軸運動是非法的會造成停機。 
　　2.3調試結論? 
　　本系統(tǒng)具有6根軸,使用了接近開關、深度檢測傳感器、機械手、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系統(tǒng)的性能具有決定性作用。所以本系統(tǒng)的調試工作極為重要。經過空載調試、主軸調試、傳感器工作參數調試、自動換刀和上位機控制調試,可以知道,高精度PLC數控機床的電氣控制系統(tǒng)是成功的,具有高的可靠性和抗干擾能力,具備較高的動態(tài)特性與快速反應能力。其中電機調試中的低速鳴叫與其載波頻率相關,而一般鳴叫則與其電流增益相關,嚴重的振動則是伺服增益參數需要較大調整,也就還需要進一步努力。