0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，作為國(guó)家裝備工業(yè)基礎(chǔ)的機(jī)床在向數(shù)字控制和智能控制的方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)集成，只要改變零件加工程序就能加工所需要的產(chǎn)品，加工速度快、精度高、花樣多，能快速滿足市場(chǎng)需求。目前小型數(shù)控車床在玩具制造、小零件小五金加工、裝飾廣告等行業(yè)有著廣闊的前景，為適應(yīng)市場(chǎng)靈活多變的需求，開發(fā)設(shè)計(jì)各種小型數(shù)控車床能較好的滿足一大批中小企業(yè)的多樣化需求，走與中大型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備廠家不同的差異化道路。本文主要探討以國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)為控制軟件，對(duì)C6140型車床主軸進(jìn)行以變頻技術(shù)與PLC控制技術(shù)為主的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 車床主軸數(shù)控化設(shè)計(jì)總體方案

　　目前國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)大型的有SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)、中型的有FANUC數(shù)控系統(tǒng)、中小型的有三菱數(shù)控系統(tǒng)等，這些數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格都在5萬(wàn)元以上，屬于高精度的閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式。通過對(duì)加工要求、精度要求、價(jià)格等因素比較后，采用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)，包括控制面板、主機(jī)系統(tǒng)板卡與輸入輸出接口，繼電器與PLC外部I／O板，以及電氣控制設(shè)計(jì)與元器件安裝、調(diào)試等自行完成。主軸數(shù)控采用開環(huán)控制方式和半閉環(huán)控制方式，包括硬件電氣控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。數(shù)控系統(tǒng)能控制主軸啟停、轉(zhuǎn)速、方向、過載和報(bào)警等；刀架能根據(jù)加工需要自動(dòng)轉(zhuǎn)位換刀。

2 主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

　　2.1 主軸變頻器．電機(jī)與卡盤的選擇

　　為了提高車床的自動(dòng)化程度，主軸采用變頻調(diào)速，進(jìn)行半閉環(huán)控制，根據(jù)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算與C6140車床加工要求可選擇FRF740—7.5KCH三菱變頻器，適配7．5KW的三相交流調(diào)速電機(jī)；為了實(shí)現(xiàn)較好的低速大轉(zhuǎn)矩特性，采用分檔無(wú)級(jí)變頻調(diào)速，即在精密加工的時(shí)候可選擇低速機(jī)械檔位和高速機(jī)械檔位，然后再通過變頻器來(lái)調(diào)速；主軸運(yùn)動(dòng)由主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的調(diào)速、正反轉(zhuǎn)、啟停、急停、報(bào)警等由PLC與數(shù)控系統(tǒng)控制。

　　主軸卡盤采用電動(dòng)卡盤，卡盤的夾緊與松開由PLC與數(shù)控系統(tǒng)控制?？蛇x擇KDl 1250型號(hào)電動(dòng)三爪自定心卡盤，加裝夾緊與松開信號(hào)開關(guān)，與數(shù)控系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)端口連接。

　　2.2 主軸編碼器的選擇

　　主軸為了能加工螺紋，主軸電機(jī)要加裝主軸編碼器，與主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，作為主軸位置信號(hào)的反饋元件，用來(lái)測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位移和轉(zhuǎn)向，保證加工螺紋或絲杠時(shí)，主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具能準(zhǔn)確移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程。根據(jù)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算與要求，車床能加工的最大螺紋導(dǎo)程為24mm，縱向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量為0.01mm／脈沖，所以每轉(zhuǎn)一周加工一個(gè)導(dǎo)程輸出2400個(gè)脈沖，編碼器有A、B相輸出信號(hào)，A、B相位差為90。，另外為了重復(fù)車削同一螺紋時(shí)不亂扣，編碼器還需每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)零位脈沖Z。可選擇ZLF-2400Z-05VO-15型號(hào)的螺紋編碼器。編碼器信號(hào)端與數(shù)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)端口連接。

3 主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

　　3.1 主軸變頻器調(diào)速系統(tǒng)電氣控制實(shí)施

　　主軸采用7．5KW以下的普通變頻器控制交流變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，變頻器選擇三菱、臺(tái)達(dá)或日立普通型變頻器，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)變速。這時(shí)可利用已有的數(shù)控系統(tǒng)主軸控制接口，接口AOUT中模擬量電流或電壓輸出信號(hào)，可作為變頻器的調(diào)速信號(hào)，如果采用單極性模擬量電壓，這時(shí)用開關(guān)量輸出信號(hào)控制主軸的啟停、正反轉(zhuǎn)。主軸速度模擬電壓信號(hào)范圍為一10V～+10V，電流最大為10mA，如果采用雙極性模擬量電壓，這時(shí)采用使能信號(hào)控制主軸啟停。主軸編碼器電源輸出為+5V，使用差分TTL方波，可提高可靠性和抗干擾能力，最大電流為200mA，信號(hào)電平為RS422電平。

　　3.2 主軸外部I／O開關(guān)量PLC控制原理與設(shè)計(jì)

　　主軸電氣系統(tǒng)開關(guān)量輸入信號(hào)與工作原理有：主軸機(jī)械一檔啟動(dòng)信號(hào)X2.0、二檔啟動(dòng)信號(hào)X2.1，常開觸點(diǎn)，閉合有效，啟動(dòng)機(jī)械變檔；主軸外部運(yùn)行允許信號(hào)X2.4，常開觸點(diǎn)，閉合有效，主要檢測(cè)變頻器使能；主軸過載報(bào)警信號(hào)X3.0，常閉觸點(diǎn)，斷開有效，主要監(jiān)控變頻器是否異常；主軸速度到達(dá)信號(hào)X3.1，常開觸點(diǎn)，閉合有效，檢測(cè)主軸穩(wěn)定速度；卡盤松開信號(hào)X0.7、常開觸點(diǎn)，閉合有效，啟動(dòng)卡盤松開；卡盤夾緊信號(hào)X0.6，常開觸點(diǎn)，閉合有效，啟動(dòng)卡盤夾緊?？ūP夾緊驅(qū)動(dòng)信號(hào)Y1.6，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號(hào)，控制卡盤夾緊；主軸制動(dòng)信號(hào)Y1.2，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號(hào)，控制電機(jī)制動(dòng)；卡盤松開驅(qū)動(dòng)信號(hào)Y1.3，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號(hào)，控制卡盤松開；主軸機(jī)械一檔驅(qū)動(dòng)信號(hào)Y1.4，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號(hào)，控制機(jī)械部分換到一擋；主軸機(jī)械二檔驅(qū)動(dòng)信號(hào)Y1.5，低電平有效，由數(shù)控系統(tǒng)送出該信號(hào)，控制機(jī)械部分換到二擋。數(shù)控系統(tǒng)采用華中數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)采用內(nèi)置式PLC，可根據(jù)車床設(shè)計(jì)要求進(jìn)行PLC程序的二次開發(fā)，開發(fā)源程序語(yǔ)言為C語(yǔ)言，前期設(shè)計(jì)可用梯形圖語(yǔ)言。

　　3.3 數(shù)控系統(tǒng)與變頻器組合控制

　　數(shù)控系統(tǒng)與變頻器的組合控制時(shí)主要參數(shù)有：主軸過載X3.0，主軸速度到達(dá)X3.1，主軸運(yùn)行允許X2.4，正轉(zhuǎn)啟動(dòng)X0.0，反轉(zhuǎn)啟動(dòng)X0.1，外部停止X0.2，變頻高速啟動(dòng)X4.0，變頻中速啟動(dòng)X4.1，變頻低速啟動(dòng)X4.2，制動(dòng)解除X4．3，主軸正轉(zhuǎn)控制Y1.0，主軸反轉(zhuǎn)控制Y1.1，高速控制Y2.0，中速控制Y2.1，低速控制Y2.2，停止控制Y2.3，變頻器STF為正轉(zhuǎn)啟動(dòng)端，變頻器STR為反轉(zhuǎn)啟動(dòng)端，變頻器RH為高速啟動(dòng)端，變頻器RM為中速啟動(dòng)端，變頻器RL為低速啟動(dòng)端，變頻器MRS為變頻停止端，變頻器OL為過載報(bào)警端，變頻器SU為頻率到達(dá)端，變頻器無(wú)級(jí)凋速電流為AOUT2／4—20mA，無(wú)級(jí)調(diào)速控制端Y2.4，變頻模擬調(diào)速端4與AU為ON，變頻器公共端SD。變頻器工作時(shí)需根據(jù)要求設(shè)置好主要參數(shù)。

3.4 主軸PLC控制系統(tǒng)外部I／O開關(guān)量設(shè)計(jì)

　　外部lJO開關(guān)量電氣控制首先要設(shè)計(jì)制作輸入信號(hào)板和輸出信號(hào)板，也可以購(gòu)買華中數(shù)控的輸入輸出繼電器板，但價(jià)格較高、成本高。開關(guān)量輸入輸出的電氣控制原理類型有NPN、PNP兩種類型，采用NPN型的輸入輸出類型，并制作輸入輸出信號(hào)板。開關(guān)量輸入技術(shù)參數(shù)為采用光耦合技術(shù)，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，導(dǎo)通電流為5-9mA，最大漏電流小于0．1mA，濾波時(shí)間小于2ms。開關(guān)量輸出技術(shù)參數(shù)為采用光耦合技術(shù)，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，最大輸出電流為100mA。

　　按下輸入按鍵X，光耦合器接口電路導(dǎo)通，產(chǎn)生輸入信號(hào)X，通過數(shù)控系統(tǒng)與PLC提供的接口送入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算處理。

　　數(shù)控系統(tǒng)與PLC通過輸出接口送出控制信號(hào)Y，高電平時(shí)候，光耦合器接口電路導(dǎo)通，輸出端子Y連接外部繼電器KA導(dǎo)通，KA常開觸點(diǎn)閉合，變頻器控制電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的控制。控制信號(hào)Y為低電平時(shí)，光耦合器接口電路不導(dǎo)通，外部繼電器KA失電，KA斷開，變頻器控制電路斷開。

4 主軸電氣控制與數(shù)控系統(tǒng)調(diào)試

　　主軸變頻調(diào)速與數(shù)控系統(tǒng)PLC控制電路設(shè)計(jì)完成后，開始進(jìn)行PLC控制與變頻器調(diào)速以及卡盤夾緊、松開，機(jī)械自動(dòng)變換一擋和二擋的調(diào)試。首先，進(jìn)行PLC程序的編寫。由于華中數(shù)控系統(tǒng)是內(nèi)置PLC系統(tǒng)，并且源程序需用C或C++語(yǔ)言編寫，因此，需要將前述的PLC梯形圖程序改變?yōu)镃語(yǔ)言程序，可取名為“zhuzhouplc．cld”文件名，后綴必須是“.cld”。在DOS下面進(jìn)入PLC安裝目錄，如：C：LHNC一21WLC>EDIT zhuzhouplc．cld<回車>，就建立了PLC的C語(yǔ)言程序，并取名為zhuzhouplc．正轉(zhuǎn)Cld。然后輸入C：、HNC一2l＼PLC>MAKEPLCzhuzhouplc．cld<回車>，這時(shí)系統(tǒng)又回到C：＼HNC．21＼PLC>下，表明程序編譯成功，編譯結(jié)果為反轉(zhuǎn)zhuzhouplc．tom，然后更改數(shù)控系統(tǒng)配置文件NCBIOS．CFG，進(jìn)入C：＼HNC一21>EDIT NCBIOS．CFG，并加上：Device=C：htlNC一21kPLCXzhuzhouplc．制動(dòng)corn，這時(shí)數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就會(huì)加載新編寫的PLC程序。

　　其次調(diào)用華中數(shù)控系統(tǒng)車床標(biāo)準(zhǔn)PLC系統(tǒng)。停止根據(jù)前面改造設(shè)計(jì)的PLC控制與I／O開關(guān)量參數(shù)，如果參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化，如開關(guān)被壓下，則對(duì)應(yīng)的開關(guān)量數(shù)字狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，由此可檢測(cè)I／O變頻高速開關(guān)量的電路連接改造設(shè)計(jì)是否正確。數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)啟動(dòng)后，對(duì)主軸外部I／O開關(guān)量進(jìn)行接通與斷開測(cè)試，X、Y的狀態(tài)都能在PLC狀態(tài)界面顯示出來(lái)，由此可見電氣電路設(shè)計(jì)正確。

5結(jié)束語(yǔ)

　　主軸數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)后進(jìn)行調(diào)試，控制軟件采用華中數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)方便快捷的人機(jī)對(duì)話、數(shù)控加工程序的編譯、運(yùn)行、計(jì)算和信號(hào)輸出以及整個(gè)系統(tǒng)的管理等。主軸自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)試運(yùn)行結(jié)果變頻低速顯示，主軸電氣與PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間短、速度快、效率高、無(wú)死循環(huán)、死機(jī)現(xiàn)象，I／O開關(guān)量接口的信號(hào)響應(yīng)快，主軸加工的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性比普通車床有較大改善，整個(gè)主軸運(yùn)行正常。