基於ＰＬＣ的數控機床電氣控製研究

摘要：主要對高精度PLC可編程數控機床的電氣控製係統進行介紹,提出了電氣（qì）控製係統總（zǒng）體方案以及設計框架。並（bìng）詳細（xì）介紹了高精度PCB數（shù）控機床的電（diàn）氣控製係統的硬件設計和各功能模塊。係統采用SIMOTION D、變頻器、電（diàn）機、光柵尺構成（chéng）全閉環控製係統。同時為了提高生產（chǎn）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（gōng）能,實現機床監控的自動化。 
　　PLC數控鑽（zuàn）床是用於對PCB板進行加工的一種機床,其本質是通過對孔進行平（píng）麵定（dìng）位來（lái）控製微孔加工鑽床（chuáng）。一般（bān）運動執行方式有兩種:一種是采用伺服電機或（huò）者步進電機和滾珠（zhū）絲杠（gàng）作為運動執行部件,第二種是（shì）通過直線電機直接帶動工作台運動。新的電氣控製係統設計采用模塊化的設計技術,從機床的機械部分、控製係統的硬件和軟件方麵進（jìn）行（háng）全新的設計（jì）。可（kě）以實（shí）現高精度的閉環控製,高可靠的狀態控製,高效率的（de）加工方式以及友好的人機界麵。 
1、電氣控製總體設計 
　　1.1機械設計? 
　　總體（tǐ）布局采用X、Y軸分立式結構,裝配簡（jiǎn）單,兩方向運動質量基本相同。X、Y軸的電（diàn）機帶（dài）動滾珠絲杠旋轉,通過螺母副（fù）帶動工作台在X、Y方向（xiàng）上（shàng）移動。Z軸結（jié）構對於高速鑽孔（kǒng）極（jí）其重要,設計和製造嚴格保證（zhèng）驅動電機主軸和鑽（zuàn）孔主軸共線。采用上（shàng）端（duān）固定下端（duān）懸臂絲杠結構（gòu）,采用彈性聯（lián）軸器（qì）。滾珠絲杠和導軌采用國際知名（míng）品牌。機（jī）床底座,橫梁,工作台采用全（quán）花崗石,保證高精（jīng）度穩定性和溫度穩定性。 
　　1.2電氣控製原理? 
　　　 這（zhè）個係統的工（gōng）作原理是,機讀取文件信息,把（bǎ）數據傳遞給SIMOTION D,再（zài）根據這些收到的數據控製電機模塊驅動電機帶動工作台進行位（wèi）置控製,光柵（shān）尺實時檢測工作台的（de）位置信息並傳（chuán）遞給SIMOTION D,實（shí）現對工作台進行位置調整滿足對位置的精度（dù）要求。由於光柵尺信號（hào）不能直接識別,所以通過傳感器模塊（kuài）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（liàng）模（mó）塊輸（shū）出一個（gè）相應的電壓控製變頻器驅動主軸轉動。工作台的工作狀態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並傳入係（xì）統。這些傳感器的信號先送到（dào）擴展模塊中,再送入SIMOTION D中,運（yùn）用強大的工藝處理、邏輯處理（lǐ）能力,對這些信號進（jìn）行處理,從而完（wán）成整個的加工（gōng）任務。 
2、PLC可編程數控機床電氣控製 
　　 為了實現較（jiào）高（gāo）的控製精度,采用變頻器、電機、光柵尺構成全閉環控製係統。同時為了提高生產率,數（shù）控機床具有工件自動夾緊、機械手（shǒu）自（zì）動換刀（dāo）、斷刀檢測（cè）、通信檢測自動建立通信連接以及（jí）刀位檢測等多種功能,實現機床監控的自動（dòng）化。 
　　2.1硬件結構? 
　　數控機床是由上位機軟件、下位機軟件（jiàn）、硬件電路和機械部分組成。硬件電路（lù）負責（zé）機床的（de）驅動、各部分之間信息的傳遞以及係統的保護等。 
　　(1)機械手換（huàn）刀。 
　　機械手為氣（qì）動型有兩個自由度,向上（shàng）伸出機械臂和刀具加緊（jǐn）。分別通（tōng）過對電磁閥的開關（guān）控製（zhì）實現對機（jī）械手氣（qì）缸進氣控製（zhì）使機械手可以自由的伸出、收回、加緊刀具和鬆開刀具。為了刀具（jù）被正確（què）的放回刀庫,機械（xiè）手的伸出長度可以由SIMOTION D控製,實現方式為機械手（shǒu）的運動活（huó）塞帶有磁性,在氣缸（gāng）外壁安裝磁性（xìng）感應開關,當機（jī）械手運（yùn）動到某一位置時感應開關接通,SIMOTION D收到信號（hào）後立（lì）即（jí）關閉機械手的進氣（qì）路達到機械手限位目的。
(2)斷刀檢測。 
　　短刀檢測采用（yòng）光纖傳感（gǎn）器,為OC門形式,三根接（jiē）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（xiān）接受這束紅外線,這樣可以通過是（shì）否被遮擋（dǎng）判斷道具是否失效。其原理圖如圖2所示（shì）。 
　 　　2.2係統功能模塊? 
　　軟件的設計是整個係統的組成部分,是硬件按照要求工作的指揮者。下位（wèi）機軟件是運行在序,負責從（cóng）上位機接收數據並控製執行部件工作和（hé）檢測機床狀態的任務。已經組（zǔ）態好軸（zhóu）以（yǐ）後就可以通過程序對軸進行操作（zuò）。SIMOTION D內部程序是由操作係統調用的,SCOUT為我們提供了大量的（de）功能塊方便（biàn）調用。 
　　(1)軸使能（néng）功能塊。 
　　此功能塊主要是（shì）對即將（jiāng）啟動的（de）軸進（jìn）行（háng）初始（shǐ）化。在（zài）啟動一根軸之（zhī）前（qián）必須先對（duì）此（cǐ）軸進行使能。步驟為在（zài）中選擇要使能的軸,選擇使能方式。 
　　(2)軸的位置控製（zhì）功能塊。 
　　軸的位置控製功能（néng）塊（kuài）是驅動（dòng）一根軸運動到（dào）指定的（de）位（wèi）置。 
　　(3)軸的回零（líng）功能（néng）塊（kuài）。 
　　對於非絕對值編碼器（qì）,每次係統上電軸必須回零以確定軸的當前位置。 
　　(4)關（guān）閉軸功能塊。 
　　在軸不再啟動時可以關閉軸。在關閉（bì）軸後如果在操作軸運動是非法的會造成停機。 
　　2.3調試結（jié）論? 
　　本係統具有6根軸,使用了接近開關、深（shēn）度檢測傳感器、機械手、壓力傳感器（qì）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係統的性能具（jù）有決定性作用。所（suǒ）以本係（xì）統的調試工作極為重要。經過空（kōng）載調試、主（zhǔ）軸調試、傳感器工作參（cān）數調試、自動換刀和上位機控製調試,可以知道,高精（jīng）度PLC數控機床的電（diàn）氣控製（zhì）係統是成功的,具有（yǒu）高的可靠性和抗幹擾能力,具備較高的動態（tài）特（tè）性與快速反應能（néng）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（zé）與（yǔ）其電流（liú）增益相關,嚴重的振動（dòng）則是伺服增益（yì）參數需（xū）要較大調整,也就還需要進（jìn）一步努力。