0 引言

　　隨著計算機技術和信息技術的不斷發(fā)展，作為國家裝備工業(yè)基礎的機床在向數字控制和智能控制的方向發(fā)展。數控機床是先進機械制造技術、數字控制技術、計算機技術、信息技術、微電子技術、自動控制技術、檢測技術等先進技術的系統集成，只要改變零件加工程序就能加工所需要的產品，加工速度快、精度高、花樣多，能快速滿足市場需求。目前小型數控車床在玩具制造、小零件小五金加工、裝飾廣告等行業(yè)有著廣闊的前景，為適應市場靈活多變的需求，開發(fā)設計各種小型數控車床能較好的滿足一大批中小企業(yè)的多樣化需求，走與中大型數控系統設備廠家不同的差異化道路。本文主要探討以國產華中數控系統為控制軟件，對C6140型車床主軸進行以變頻技術與PLC控制技術為主的數控系統設計。

1 車床主軸數控化設計總體方案

　　目前國內的數控系統大型的有SIEMENS數控系統、中型的有FANUC數控系統、中小型的有三菱數控系統等，這些數控系統價格都在5萬元以上，屬于高精度的閉環(huán)或半閉環(huán)控制方式。通過對加工要求、精度要求、價格等因素比較后，采用國產華中數控系統，包括控制面板、主機系統板卡與輸入輸出接口，繼電器與PLC外部I／O板，以及電氣控制設計與元器件安裝、調試等自行完成。主軸數控采用開環(huán)控制方式和半閉環(huán)控制方式，包括硬件電氣控制系統和軟件系統兩部分。數控系統能控制主軸啟停、轉速、方向、過載和報警等；刀架能根據加工需要自動轉位換刀；車床主軸數控系統設計原理圖如圖1所示。

圖1主軸數控系統設計原理圖

2 主軸數控系統設計總體方案

　　2.1 主軸變頻器．電機與卡盤的選擇

　　為了提高車床的自動化程度，主軸采用變頻調速，進行半閉環(huán)控制，根據機械部分的設計計算與C6140車床加工要求可選擇FRF740—7.5KCH三菱變頻器，適配7．5KW的三相交流調速電機；為了實現較好的低速大轉矩特性，采用分檔無級變頻調速，即在精密加工的時候可選擇低速機械檔位和高速機械檔位，然后再通過變頻器來調速；主軸運動由主軸電機驅動，電機的調速、正反轉、啟停、急停、報警等由PLC與數控系統控制。

　　主軸卡盤采用電動卡盤，卡盤的夾緊與松開由PLC與數控系統控制?？蛇x擇KDl 1250型號電動三爪自定心卡盤，加裝夾緊與松開信號開關，與數控系統的對應端口連接。

　　2.2 主軸編碼器的選擇

　　主軸為了能加工螺紋，主軸電機要加裝主軸編碼器，與主軸同步轉動，作為主軸位置信號的反饋元件，用來測量電機的轉速、位移和轉向，保證加工螺紋或絲杠時，主軸每轉一周，刀具能準確移動一個導程。根據機械部分的設計計算與要求，車床能加工的最大螺紋導程為24mm，縱向的進給脈沖當量為0.01mm／脈沖，所以每轉一周加工一個導程輸出2400個脈沖，編碼器有A、B相輸出信號，A、B相位差為90。，另外為了重復車削同一螺紋時不亂扣，編碼器還需每轉輸出一個零位脈沖Z?？蛇x擇ZLF-2400Z-05VO-15型號的螺紋編碼器。編碼器信號端與數控系統對應端口連接。

3 主軸數控系統設計與實施

　　3.1 主軸變頻器調速系統電氣控制實施

　　主軸采用7．5KW以下的普通變頻器控制交流變頻電機實現調速，變頻器選擇三菱、臺達或日立普通型變頻器，可在一定范圍內實現主軸的無級變速。這時可利用已有的數控系統主軸控制接口，接口AOUT中模擬量電流或電壓輸出信號，可作為變頻器的調速信號，如果采用單極性模擬量電壓，這時用開關量輸出信號控制主軸的啟停、正反轉。主軸速度模擬電壓信號范圍為一10V～+10V，電流最大為10mA，如果采用雙極性模擬量電壓，這時采用使能信號控制主軸啟停。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，信號電平為RS422電平。數控裝置與主軸變頻器、編碼器的電氣連接圖如圖2示。

圖2數控裝置與主軸變頻器、編碼器的電氣連接圖

　　3.2 主軸外部I／O開關量PLC控制原理與設計

　　主軸電氣系統開關量輸入信號與工作原理有：主軸機械一檔啟動信號X2.0、二檔啟動信號X2.1，常開觸點，閉合有效，啟動機械變檔；主軸外部運行允許信號X2.4，常開觸點，閉合有效，主要檢測變頻器使能；主軸過載報警信號X3.0，常閉觸點，斷開有效，主要監(jiān)控變頻器是否異常；主軸速度到達信號X3.1，常開觸點，閉合有效，檢測主軸穩(wěn)定速度；卡盤松開信號X0.7、常開觸點，閉合有效，啟動卡盤松開；卡盤夾緊信號X0.6，常開觸點，閉合有效，啟動卡盤夾緊?？ūP夾緊驅動信號Y1.6，數控系統內部低電平有效，由數控系統送出該信號，控制卡盤夾緊；主軸制動信號Y1.2，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制電機制動；卡盤松開驅動信號Y1.3，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制卡盤松開；主軸機械一檔驅動信號Y1.4，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制機械部分換到一擋；主軸機械二檔驅動信號Y1.5，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制機械部分換到二擋。數控系統采用華中數控系統，該數控系統采用內置式PLC，可根據車床設計要求進行PLC程序的二次開發(fā)，開發(fā)源程序語言為C語言，前期設計可用梯形圖語言。主軸系統PLC控制電氣原理如圖3所示。

圖3主軸系統PLC控制電氣原理圖

　　3.3 數控系統與變頻器組合控制

　　數控系統與變頻器的組合控制時主要參數有：主軸過載X3.0，主軸速度到達X3.1，主軸運行允許X2.4，正轉啟動X0.0，反轉啟動X0.1，外部停止X0.2，變頻高速啟動X4.0，變頻中速啟動X4.1，變頻低速啟動X4.2，制動解除X4．3，主軸正轉控制Y1.0，主軸反轉控制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為正轉啟動端，變頻器STR為反轉啟動端，變頻器RH為高速啟動端，變頻器RM為中速啟動端，變頻器RL為低速啟動端，變頻器MRS為變頻停止端，變頻器OL為過載報警端，變頻器SU為頻率到達端，變頻器無級凋速電流為AOUT2／4—20mA，無級調速控制端Y2.4，變頻模擬調速端4與AU為ON，變頻器公共端SD。變頻器工作時需根據要求設置好主要參數。主軸數控系統與變頻器控制電氣原理圖如圖4所示。

圖4主軸數控系統與變頻器控制電氣原理圖

　　3.4 主軸PLC控制系統外部I／O開關量設計

　　外部lJO開關量電氣控制首先要設計制作輸入信號板和輸出信號板，也可以購買華中數控的輸入輸出繼電器板，但價格較高、成本高。開關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板。開關量輸入技術參數為采用光耦合技術，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，導通電流為5-9mA，最大漏電流小于0．1mA，濾波時間小于2ms。開關量輸出技術參數為采用光耦合技術，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，最大輸出電流為100mA。輸入等效電路如圖5、輸出如圖6所示。

圖5開關量輸入電氣原理圖

圖6開關量輸出電氣原理圖

　　按下輸入按鍵X，光耦合器接口電路導通，產生輸入信號X，通過數控系統與PLC提供的接口送入數控系統內部進行運算處理。

　　數控系統與PLC通過輸出接口送出控制信號Y，高電平時候，光耦合器接口電路導通，輸出端子Y連接外部繼電器KA導通，KA常開觸點閉合，變頻器控制電路導通，實現主軸電機的控制?？刂菩盘朰為低電平時，光耦合器接口電路不導通，外部繼電器KA失電，KA斷開，變頻器控制電路斷開。

4 主軸電氣控制與數控系統調試

　　主軸變頻調速與數控系統PLC控制電路設計完成后，開始進行PLC控制與變頻器調速以及卡盤夾緊、松開，機械自動變換一擋和二擋的調試。首先，進行PLC程序的編寫。由于華中數控系統是內置PLC系統，并且源程序需用C或C++語言編寫，因此，需要將前述的PLC梯形圖程序改變?yōu)镃語言程序，可取名為&ldquo;zhuzhouplc．cld&rdquo;文件名，后綴必須是&ldquo;.cld&rdquo;。在DOS下面進入PLC安裝目錄，如：C：LHNC一21WLC>EDIT zhuzhouplc．cld<回車>，就建立了PLC的C語言程序，并取名為zhuzhouplc．正轉Cld。然后輸入C：、HNC一2l＼PLC>MAKEPLCzhuzhouplc．cld<回車>，這時系統又回到C：＼HNC．21＼PLC>下，表明程序編譯成功，編譯結果為反轉zhuzhouplc．tom，然后更改數控系統配置文件NCBIOS．CFG，進入C：＼HNC一21>EDIT NCBIOS．CFG，并加上：Device=C：htlNC一21kPLCXzhuzhouplc．制動corn，這時數控系統啟動時就會加載新編寫的PLC程序。

圖7主軸PLC控制系統主要梯形圖程序

　　其次調用華中數控系統車床標準PLC系統。停止根據前面改造設計的PLC控制與I／O開關量參數，如果參數狀態(tài)發(fā)生變化，如開關被壓下，則對應的開關量數字狀態(tài)也會發(fā)生變化，由此可檢測I／O變頻高速開關量的電路連接改造設計是否正確。數控系統主機啟動后，對主軸外部I／O開關量進行接通與斷開測試，X、Y的狀態(tài)都能在PLC狀態(tài)界面顯示出來，由此可見電氣電路設計正確。

5結束語

　　主軸數控系統設計后進行調試，控制軟件采用華中數控系統，該系統能實現方便快捷的人機對話、數控加工程序的編譯、運行、計算和信號輸出以及整個系統的管理等。主軸自動和手動調試運行結果變頻低速顯示，主軸電氣與PLC控制系統運行時間短、速度快、效率高、無死循環(huán)、死機現象，I／O開關量接口的信號響應快，主軸加工的穩(wěn)定性、準確性、快速性比普通車床有較大改善，整個主軸運行正常。