基于ＰＬＣ的數(shù)控機床電氣控制研究

摘要：主要對高精度PLC可編程數(shù)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(shè)計框架。并詳細介紹了高精度PCB數(shù)控機床的電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和各功能模塊。系統(tǒng)采用SIMOTION D、變頻器、電機、光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。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、斷刀檢測等多種功能,實現(xiàn)機床監(jiān)控的自動化。 
　　PLC數(shù)控鉆床是用于對PCB板進行加工的一種機床,其本質(zhì)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(shè)計采用模塊化的設(shè)計技術(shù),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(shè)計�？梢詫崿F(xiàn)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(shè)計 
　　1.1機械設(shè)計? 
　　總體布局采用X、Y軸分立式結(jié)構(gòu),裝配簡單,兩方向運動質(zhì)量基本相同。X、Y軸的電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),通過螺母副帶動工作臺在X、Y方向上移動。Z軸結(jié)構(gòu)對于高速鉆孔極其重要,設(shè)計和制造嚴格保證驅(qū)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(jié)構(gòu),采用彈性聯(lián)軸器。滾珠絲杠和導(dǎo)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(shù)據(jù)傳遞給SIMOTION D,再根據(jù)這些收到的數(shù)據(jù)控制電機模塊驅(qū)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(xiàn)對工作臺進行位置調(diào)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(zhuǎn)換為標準的信號傳遞給SIMOTION D。被接收到主軸的轉(zhuǎn)速信息通過模擬量模塊輸出一個相應(yīng)的電壓控制變頻器驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動。工作臺的工作狀態(tài)可以通過多個傳感器如接近開關(guān)、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(wù)。 
2、PLC可編程數(shù)控機床電氣控制 
　　 為了實現(xiàn)較高的控制精度,采用變頻器、電機、光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時為了提高生產(chǎn)率,數(shù)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(xiàn)機床監(jiān)控的自動化。 
　　2.1硬件結(jié)構(gòu)? 
　　數(shù)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(zé)機床的驅(qū)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(guān)控制實現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)開關(guān),當(dāng)機械手運動到某一位置時感應(yīng)開關(guān)接通,SIMOTION D收到信號后立即關(guān)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(gòu)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(shè)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(zé)從上位機接收數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行部件工作和檢測機床狀態(tài)的任務(wù)。已經(jīng)組態(tài)好軸以后就可以通過程序?qū)�軸進行操作。SIMOTION D內(nèi)部程序是由操作系統(tǒng)調(diào)用的,SCOUT為我們提供了大量的功能塊方便調(diào)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(qū)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(dāng)前位置。 
　　(4)關(guān)閉軸功能塊。 
　　在軸不再啟動時可以關(guān)閉軸。在關(guān)閉軸后如果在操作軸運動是非法的會造成停機。 
　　2.3調(diào)試結(jié)論? 
　　本系統(tǒng)具有6根軸,使用了接近開關(guān)、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(diào)試工作極為重要。經(jīng)過空載調(diào)試、主軸調(diào)試、傳感器工作參數(shù)調(diào)試、自動換刀和上位機控制調(diào)試,可以知道,高精度PLC數(shù)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(yīng)能力。其中電機調(diào)試中的低速鳴叫與其載波頻率相關(guān),而一般鳴叫則與其電流增益相關(guān),嚴重的振動則是伺服增益參數(shù)需要較大調(diào)整,也就還需要進一步努力。