電氣控制論文：基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、電氣控制論文：基于PLC的數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的核心，數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，數(shù)控系統(tǒng)的性能保證是數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的質(zhì)量決定了控制系統(tǒng)的性能。廣義而言，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)。本文提到的系統(tǒng)是控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速、高精度、可靠的加工，因此電子控制系統(tǒng)的性能是非常重要的。本文主要分析了電氣控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)，分析了主要設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。 關(guān)鍵詞：PLC；電氣控制；數(shù)控機(jī)床； 目錄 摘要 I 引言 1 一、電氣控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì) 1 （一）總體設(shè)計(jì)方案 1 （二）運(yùn)動(dòng)控制器模塊的主要功能 1

2、 （三）數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)的主要功能 2 （四）PLC在電氣控制系統(tǒng)內(nèi)的功能 3 二、主要設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 （一）主軸電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 （二）進(jìn)給軸電氣控制設(shè)計(jì) 4 （三）PLC模塊的設(shè)計(jì) 4 1.PLC的總體外部接線設(shè)計(jì) 4 2.潤(rùn)滑與冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 3.照明與信號(hào)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 （四）系統(tǒng)開(kāi)關(guān)和緊急停止系統(tǒng) 10 三、結(jié)論 11 參考文獻(xiàn) 11 引言 數(shù)控機(jī)床的電氣控制方式?jīng)Q定了控制系統(tǒng)的性能，機(jī)床本質(zhì)上是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其功能是將電能轉(zhuǎn)化為加工技術(shù)所需的機(jī)械能。因此，電能的分配和管理是機(jī)床的能源保證，其功能與人的心臟相似。同時(shí)

3、，本文最創(chuàng)新的一點(diǎn)是討論自動(dòng)工具設(shè)置功能。以往數(shù)控機(jī)床的設(shè)置費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法保證其精度。借助自動(dòng)工具設(shè)置系統(tǒng)，可以方便快捷地完成工具設(shè)置任務(wù)。減少員工工作量，提高工作效率和產(chǎn)品精度。 一、電氣控制系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì) （一）總體設(shè)計(jì)方案 數(shù)控機(jī)床電氣控制總體方案的選擇如圖1所示。采用ARM9+a C/O S-II作為數(shù)控、CNC的主要控制系統(tǒng)，采用DSP+FPGA作為運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器的核心，采用PLC作為電氣輔助系統(tǒng)的控制核心。 圖1輔助電氣控制系統(tǒng)的方案圖 （二）運(yùn)動(dòng)控制器模塊的主要功能 運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)框圖如圖2所示，其功能是接收信息處理后的插值和控制信號(hào)，如主控制器的解碼和編

4、譯程序，進(jìn)行速度處理和線性和圓弧插值操作，并通過(guò)與位置和速度的比較，向伺服系統(tǒng)的各種伺服系統(tǒng)產(chǎn)生插值方向和脈沖的反饋信號(hào)。 圖2運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)框圖 微處理器模塊：根據(jù)主控制器解碼的函數(shù)編號(hào)等信息，進(jìn)行線性加減速控制和精細(xì)插補(bǔ)計(jì)算；電弧編碼器解碼模塊：對(duì)接收到的編碼器信號(hào)進(jìn)行解碼，并將解碼結(jié)構(gòu)傳送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，獲取電機(jī)位置信息。 脈沖輸出模塊：根據(jù)微處理器的插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生插補(bǔ)脈沖和方向，發(fā)送給伺服系統(tǒng)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 通信模塊：通過(guò)MAX3490總線與主控制器進(jìn)行全雙工通信，接收上位機(jī)解碼的功能號(hào)等控制信息，并向主控制器發(fā)送相對(duì)坐標(biāo)和絕對(duì)坐標(biāo)信息。 擴(kuò)展I/O模塊：預(yù)

5、留I/O口，便于與潤(rùn)滑裝置，液壓系統(tǒng)，限位開(kāi)關(guān)等VO設(shè)備等輔助設(shè)備連接。 （三）數(shù)控機(jī)床的伺服控制系統(tǒng)的主要功能 伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)主要是指由各坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接收數(shù)控設(shè)備的饋電脈沖(運(yùn)動(dòng)控制器主要基于DSP)的FPGA系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)完成，并驅(qū)動(dòng)各個(gè)處理坐標(biāo)軸按照轉(zhuǎn)換放大后的命令脈沖移動(dòng)。其中一些軸驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，一些驅(qū)動(dòng)刀架。通過(guò)多個(gè)坐標(biāo)軸的綜合鏈接，刀具可以產(chǎn)生相對(duì)于工件的各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，加工所需的復(fù)雜形狀工件。本系統(tǒng)采用的伺服系統(tǒng)為三相交流永磁同步伺服系統(tǒng)，旨在改變交流伺服電機(jī)的工頻，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。它有

6、以下優(yōu)點(diǎn)： 1)精度高即輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度好。 2)穩(wěn)定性好即抗干擾能力強(qiáng)。 3)快速響應(yīng)即動(dòng)態(tài)性能好，跟蹤精度高。 4)調(diào)速范圍寬 5)低速大扭矩 圖3三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （四）PLC在電氣控制系統(tǒng)內(nèi)的功能 PLC（可編程邏輯控制器）通常用于設(shè)備的自動(dòng)控制，它采用PLC代替繼電器控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能控制。這清楚地反映在其功能控制的高度靈活性：CNC的配置軸在允許范圍內(nèi)。控制信號(hào)的變化，進(jìn)給軸的激活控制，機(jī)床操作面板信號(hào)的控制，輔助信號(hào)的控制和I/O接口開(kāi)關(guān)的控制等。只要改變PLC編程，相應(yīng)的配置就會(huì)立即生效，這也使得相同的數(shù)

7、控系統(tǒng)靈活地應(yīng)用于不同配置的數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床采用PLC，主要用于機(jī)床外圍的輔助電氣控制。它被稱為可編程機(jī)床控制器或PMC（可編程機(jī)床控制器） （1）機(jī)床輔助設(shè)備的控制（包括冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、自動(dòng)刀具設(shè)置、控制面板等）由PLC完成。 （2）外圍電路（強(qiáng)電路）不能直接與PLC連接，必須通過(guò)中間繼電器電路轉(zhuǎn)換外圍電路和PLC； （3）進(jìn)入PLC的必須轉(zhuǎn)換為微弱信號(hào)，用于控制外圍電路的必須轉(zhuǎn)換為強(qiáng)信號(hào)。 二、主要設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) （一）主軸電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主軸的控制要求包括：主軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，加速減速響應(yīng)快，低速時(shí)扭矩大，過(guò)載能力強(qiáng)等。機(jī)床主軸通常用于為機(jī)

8、床的加工提供動(dòng)力。數(shù)控機(jī)床是lokson650立式銑床，所以主軸帶動(dòng)切削工件旋轉(zhuǎn)。主軸驅(qū)動(dòng)器采用以川變頻器為核心的閉環(huán)矢量控制方式，采用增量式光電編碼器作為主軸測(cè)速儀的反饋。變頻器與系統(tǒng)通訊采用RS485總線。 （二）進(jìn)給軸電氣控制設(shè)計(jì) 這種類型的數(shù)控機(jī)床是半軌機(jī)床，即X軸和Y軸采用軌道，而Z軸采用硬軌。進(jìn)給軸與機(jī)械體使用線軌接觸面小，摩擦力和阻力小，負(fù)載能力輕。通常用于五金配件，汽車零部件等產(chǎn)品的輕載切削加工。采用硬軌方式的進(jìn)給軸表面厚，摩擦大，阻力大，承載能力強(qiáng)，可用于重型切削，一般用于加工模具產(chǎn)品。樂(lè)森650機(jī)床是介于兩者之間的產(chǎn)品，主要用于加工五金，汽車零部件，小型模具等產(chǎn)品。因此

9、，切削要求分為：進(jìn)給軸要求和主軸要求。以下是要求： （1）精度要求:①重復(fù)定位精度是0.005mm;②定位精度是0.001mm; （2）快速要求:加減速好，三軸聯(lián)動(dòng)比較順暢，跟隨性好，平均每秒加工進(jìn)度為20cm/min，最快能達(dá)到1 m/min; （3）穩(wěn)定性的要求:振動(dòng)小，抗干擾能力強(qiáng)等。 對(duì)X,Y,Z進(jìn)給軸的控制是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)里面最有難度的部分。我們選用了安川伺服電動(dòng)機(jī)(屬于三相永磁同步電機(jī)，型號(hào)為S GMGD-20ACA51)和華南理工大學(xué)研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器(型號(hào)為SGMD-20ADA)。 由于X,Y伺服軸的要求一樣，故X,Y軸的伺服電機(jī)相同，其主要參數(shù)為:額定功率1.8KW

10、,額定電流:3 A,額定扭力500牛/米，額定電壓三相220V,額定轉(zhuǎn)速為1500RPM，最高轉(zhuǎn)速為3000RPM。對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)為:額定電壓三相220V,額定功率2KW,額定電流2A,額定頻率為50HZ。 而Z軸是硬性導(dǎo)軌，其阻力大，負(fù)載能力強(qiáng)，故他的參數(shù)與X,Y軸伺服電機(jī)不盡相同。額定功率為:2.9KW,額定電流為SA,額定扭力為1000牛/米，額定轉(zhuǎn)速為1500RPM，最大轉(zhuǎn)速為3000RPM，并且具有帶抱閘的功能。其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器也與X,Y軸伺服電機(jī)不同。型號(hào)為SGMD-30ADA,額定功率為3KW,額定電流為SA,額定電壓為三相220V,額定頻率為50HZ。 （三）PL

11、C模塊的設(shè)計(jì) 1.PLC的總體外部接線設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輔助電氣控制系統(tǒng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)有兩個(gè)輸入和兩個(gè)報(bào)警輸出。冷卻系統(tǒng)還有兩個(gè)輸入和兩個(gè)報(bào)警輸出；自動(dòng)工具設(shè)置有六個(gè)輸入和六個(gè)報(bào)警輸出；照明和信號(hào)燈系統(tǒng)有一個(gè)輸入和四個(gè)輸出；換刀系統(tǒng)有5個(gè)輸入和5個(gè)輸出，因此在選擇PLC時(shí)，考慮到剩余的三分之一裕度，我們采用了匯川HCZU-2415MRPLC。它有24項(xiàng)投入和15項(xiàng)產(chǎn)出。掃描頻率高達(dá)1000Hz，完全可以滿足要求。 PLC的外部接線圖為: 圖4PLC的外部接線圖 2.潤(rùn)滑與冷卻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)的潤(rùn)滑和冷卻電氣控制的原理和設(shè)計(jì)方案非常相似，因此將在本節(jié)中討論。機(jī)床潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，調(diào)試

12、和維護(hù)，對(duì)提高機(jī)床加工精度，延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命具有重要作用。然而，潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的電氣控制仍存在一些問(wèn)題：首先，監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)；其次，潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的單周期和供應(yīng)時(shí)間容易造成浪費(fèi)。針對(duì)以上兩種情況，在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中，應(yīng)改進(jìn)潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以確保機(jī)床良好的潤(rùn)滑和冷卻。機(jī)床的機(jī)械部件，并根據(jù)機(jī)床的工作條件，冷卻油量和循環(huán)時(shí)間調(diào)整供油量，以節(jié)省潤(rùn)滑油和冷卻油。潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)電氣控制原理分為電機(jī)控制和PLC控制兩部分。電機(jī)控制原理圖如下： 圖5冷卻泵電機(jī)電氣控制圖 圖6潤(rùn)滑電機(jī)電氣控制圖 如圖6所示，.有潤(rùn)滑和冷卻自動(dòng)控制流程圖。當(dāng)系統(tǒng)

13、準(zhǔn)備好后，CNC發(fā)出信號(hào)啟動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。第一次潤(rùn)滑15s后，電機(jī)停止工作。 圖7潤(rùn)滑冷卻自動(dòng)控制流程圖 壓力開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，定時(shí)啟動(dòng)25分鐘。定時(shí)后，關(guān)閉壓力開(kāi)關(guān)。潤(rùn)滑冷卻電機(jī)在這里工作15秒和循環(huán)。同時(shí)設(shè)定X7為潤(rùn)滑電機(jī)過(guò)載，設(shè)定X10為冷卻電機(jī)過(guò)載，設(shè)定X9為潤(rùn)滑油不足，設(shè)定X11為冷卻液不足的切換信號(hào)。當(dāng)這些信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)控機(jī)床潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的PLC控制如圖8所示。PLC的工作過(guò)程可以描述如下：首先，通過(guò)兩個(gè)時(shí)間繼電器T的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑和冷卻的間隙工作；然后，利用PLC的準(zhǔn)備信號(hào)，將專用繼電器M8001設(shè)置為1，開(kāi)始第一次潤(rùn)滑和冷卻。第一次潤(rùn)滑冷卻后，當(dāng)壓力開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，中間繼電器M1開(kāi)始工作，使?jié)櫥到y(tǒng)再次工作。在15s后，時(shí)間繼電器T2為1。當(dāng)壓力開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，中間繼電器T3為1，M1停止工作。延時(shí)25分鐘后，再次運(yùn)行。這樣就完成了潤(rùn)滑系統(tǒng)的周期性動(dòng)作。然后通過(guò)X7，X8，X10和X11實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的報(bào)警和手動(dòng)控制。 圖8潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的PLC程序圖 3.照明與信號(hào)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì) 這臺(tái)數(shù)控機(jī)床要求在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)立即打開(kāi)照明系統(tǒng)。且控制柜內(nèi)照明系統(tǒng)在控制柜開(kāi)閉時(shí)開(kāi)啟，電氣柜門關(guān)閉時(shí)開(kāi)啟。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)（表示系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒）時(shí)，信號(hào)指示燈主要為黃色；當(dāng)系統(tǒng)處于緊急停止或報(bào)警狀態(tài)時(shí)，信號(hào)指示燈為紅色；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，信號(hào)指示燈為綠色。