基于电气控制系统设计的研究论文

基于PLC的数控机床电气控制简析摘要：对数控机床电气控制系统的控制方式、系统功能、主要实现部件，进行了选择和分析，然后给出一个完整的基于PLC的数控机床电气控制系统工作原理方案。关键词：PLC；数控机床；电气控制目前数控机床相关技术的发展，不仅要对各机床各个坐标轴的位置进行连续控制外，而且需要对机床主轴停止、转向和进给运动的启动和停止、刀库及换刀机械手控制、切削液开关、夹具定位等动作，进行特性次序控制。特定次序的控制信息，由输入/输出控制，如控制开关、行程开关、压力开关、温度开关等输入元件，继电器、接触器和电磁阀等输出元件控制，同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等[1~5]。随着可编程序控制器（PLC）技术的发展，上述综合功能是可以由数控机床中的可编程序控制器来完成的[1~2]。它是由输入部分，逻辑部分和输出部分组成，输入部分收集并保存被控制部分实际运行的数据，逻辑部分处理输入部分所取得的信息，并判断哪些功能需做出输出反应。输出部分提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。笔者基于PLC控制来分析对一类数控机床的电气控制设计，主要包括对控制方式的选择和分析；对电气控制系统中的主要实现部件进行分析和选用，以及提出完整的基于PLC的数控机床电气控制系统工作原理方案。1基于P LC的数控机床电气控制方式的选择数控机床电气控制方式优劣，决定了控制系统的成败[3,5]。本文所提及的系统，要控制机床实现高速高精度的加工，所以系统的性能至关重要：首先要根据预定要求和被控对象的特征、控制精度、系统运行速度等限制进行了综合考虑，同时，充分考虑系统的性能价格比等因素，确定X、Y轴采用PC机+运动控制器+电机+光栅尺的方式进行闭环控制。采用此种方式，PC机发挥了强大的文件处理功能、人机交互功能以及高速的数据处理功能，运动控制器则体现了高可靠性、高速性、高精度等优点，光栅尺则为系统提供了高达1μm的精度的位置信息。同时，运动控制器可以接入机床的各种传感器，并及时做出处理，提高了整个系统的可靠性和稳定性。运动控制卡只能接入少数几根轴，而运动控制器可以大量扩展轴的数目，为系统以后的升级带来便利。运动控制器同时还可以通过一个标准接口接入一个PLC系统，即运动控制器同时可以执行PLC功能。2数控机床的功能分析本文分析的数控机床，是一拖四的机床，有X、Y轴和四个Z轴上的伺服电机，来进行工作台定位；X、Y、Z轴可以联动，四个Z轴可以同时运动，也可以分开运动。为了提高加工精度，工作台的X、Y轴运动，利用光栅尺实现全闭环控制，对工作台进行精确定位。通过外扩模拟量I/O点对高速变频器进行控制，实现四个主轴电机可以进行启停分开控制，转速同步控制。X、Y轴进行两侧硬限位和软限位双重保护，对Z轴下侧进行软硬限位。主轴转速高达16万r/min，实现较高的加工效率，并配备专用的冷却水泵对电机进行冷却，同时实时检测电机温度，提供温度保护。为每根主轴安装机械手和刀库，实现自动换刀和手动换刀可选择。为了提高加工质量，机械手换刀后，进行刀具深度和位置检测。加工过程中，实时检测刀具磨损以及断刀情况，出现刀具失效，可以自动通过机械手换刀或者提示操作者手动换刀。为了稳定加工，系统具有高速的上下位机通讯功能，上位机可以随时对下位机进行控制，下位机也把各种信息传到上位机。3电气控制系统组成控制系统由PC机(工控机)，SIMOTION，电源模块，电机模块，电机，光栅尺，SMC30(传感器模块)，分布式1/0ET200M(包括数字量模块和模拟量模块)，机械手，主轴变频器，高速主轴以及多个传感器以及限位开关组成。具体的分析及其选用如下：上位机上位机是一台PC机(工控机)，主要负责从加工文件中读取需要数控机床加工流程（以钻孔为例）的钻孔的孔位和孔径信息，以及为用户提供友好的界面设定加工参数，最后通过TCP/IP协议，把这些数据传到运动控制器。 S IMOTION运动控制器SIMOTION D是整个控制系统地核心，所以SIMOTION D的运行速度和可靠性，会对整个系统产生决定性影响。本系统选择的SIMOTIOND内部结构，是由西门子PLC5300和西门子的运动控制CPU组合而成，所以继承了PLC工业运用上的高可靠性优点，同时也继承了运动控制系统对运动控制的灵活性。SIMOTION是一个全新的西门子运动控制，它是世界上第一款针对生产机械而设计的控制系统。SIMOTION的目的是为实现各种运动控制任务提供一种简单、灵活的控制系统。为了确保成为最佳的控制方案，SIMOTION的功能得到了很大程度的扩展。SIMOTION主要有三大功能：（1）运动控制；（2）逻辑控制，例如，对输入信号的逻辑门处理，以及对输出信号的分析与赋值；（3）工艺控制，例如压力控制、温度控制等。目前SIMOTION面向的行业，主要是运动复杂、速度及精度的要求较高的制造机械、包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域。电源模块一般变频器的工作方式，为先把一定频率的交流电变为直流电，再由逆变器把直流电变为指定频率的交流电。SIMO-TION运动控制系统，采用通过电源模块把工业交流电变为直流电，再分配给多个电机模块的方式。电源模块分为可调电源模块和不可调电源模块。可调电源模块，可以根据参数把它转化出来的直流电稳定到一个指定的可变值，并且具有与SIMOTION通信的功能；不可调电源模块，只能输出一个固定的直流电压，而且不能同SIMOTION通信。电机模块电机模块主要是把540V或600V的直流电，逆变成指定频率的三相交流电，供给电机使用。目前的电机模块有两种类型：书本型和装机装柜型。书本型又分为单轴电机模块和双轴电机模块，单轴为3-200A；双轴为3-18A；电机模块和主控单元之间通过DRIVE-CLIQ接口，进行快速数据交换。因为要对X、Y和四个Z轴进行伺服控制，所以采用3个书本型双电机控制模块，来对6个轴进行控制。伺服电机伺服电机是数控系统的动力提供者，本系统的X、Y和4个Z轴，都采用的是高动态相应的交流伺服电机。电机可以进行矢量控制和伺服控制，电机上还带有旋转编码器，用来组成一个电机位置闭环系统，实现对电机的精确控制。电机本身所带编码器的精度在10μm左右。电机也具有DRIVE-CLIQ接口，可以实时上传电机的状态参数，在系统自动组态时，可以上传自己的铭牌数据，极大地方便了系统组态。同时电机上边全部用标准安全接口，为电机接线时，只需把相应的插头插入即可。光栅尺西门子伺服电机本身带有编码器，但是电机编码器的精度只能达到10μm，离要求的5μm差距较大。所以用外部光栅尺检测工作台的位置，并把精确的位置信息通过SMC30(传感器模块)转换成标准信号，传递给SIMOTION进行处理。光栅尺选用业界知名的RENISHAW公司产品中的RG4系列。变频器数控机床的主轴速度，要求的非常高(12万r/min以上)，所以为了对高速主轴进行控制，要选择一种高速变频器。台达V系列可以满足高速主轴的频率要求。由于SIMOTION上没有用来同台达变频器进行通信的485串口，所以对台达变频器的控制，采用模拟量控制方式。方案为SIMOTION D扩展ET200M获得模拟量I/O来对台达变频器进行控制。高速主轴机床的主轴采用西风的F16 160000RPM高效率PCB钻孔主轴，采用全流道冷却系统，是一种高精度、高寿命、高稳定性的全功能PCB钻孔主轴。刀具加紧方式，采用启动夹紧方式，冷却系统则为干净的水循环利用，不能使用去离子水。为了对独一主轴进行保护，主轴内置NTC温度控制系统。其他传感器（）lOMRON接进开关。本系统对工作台的回零，采用外部标志加编码器零位方式回零，工作台回零时的外部标记用接近开关来实现，同时4个Z轴限位，也是通过接进开关来实现的。本控制系统的限位回零采用此接近开关。（2）深度检测系统。本系统可以采用机械手自动换刀或者手动换刀，由于换刀过程中，会出现刀具的夹装位置不同，造成钻孔深度不同，也会出现刀具安装倾斜等情况。NCPCB ToolSetting Device(刀具检测系统)可以在自动换刀或者手动换刀后，进行检测刀具深度以及方向是否正确。4电气控制系统总体工作方案设计如图1所示，为该电气控制系统总体工作方案原理图。该电气控制系统总体工作方案是：PC机读取文件信息，把数据传递给SIMOTION D；SIMOTION D再根据这些收到的数据，控制电机模块驱动电机，带动工作台进行位置控制；光栅尺实时检测工作台的位置信息，并传递给SIMOTION D，实现对工作台进行位置调整，满足对位置的精度要求。由于光栅尺信号不能由SIMOTION D直接识别，所以通过传感器模块SMC30转换为标准的信号，传递给SIMOTION D。被ET200M从SIMOTION D接收到主轴的转速信息，通过模拟量模块输出一个相应的电压，控制变频器驱动主轴转动。工作台的工作状态，可以通过多个传感器(如接近开关、断刀检测传感器、深度检测传感器等)检测到并传入系统。这些传感器的信号先送到SIMOTION的扩展模块ET200中，再送入SIMOTION中，运用SIMOTION强大的工艺处理、逻辑处理能力，对这些信号进行处理，从而完成整个的加工任务。5结束语数控设备在我国已广泛生产和应用，但水平还不高，这严重制约着我国生产加工工艺的提高。究其原因，主要体现在电气控制部分。本文给出的数控机床电气控制思想和方法，经过长期运行，证明其设计合理，控制精度高，性能可靠，能大大提高生产效率和质量，不失为一种优秀的数控电气控制方案。参考文献：[1]李华.PLC在数控机床控制系统中的应用[J].职业圈，2007，(07X):158-159.[2]李纪三，舒朝君，刘永喜.PLC在数控机床功能控制中的应用[J].机床电器，2008，35(2):12-14.[3]仲兴国.利用PLC进行数控机床故障维修的方法[J].制造技术与机床，2008，(6):144-146.[4]卢成斌.PLC和变频器在车床数控改造中的应用[J].数控机床市场，2008，(1):94-96.[5]李铁军，张淑敏.PLC在数控机床电气控制方面的应用[J].机械工程师，2005，(9):23-25.

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