基于 PLC 的數(shù)控機床刀架控制系統(tǒng)改造
2021-7-16 來源： 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：康永澤
摘要：本文擬就 FANUC 0i-F 數(shù)控實訓(xùn)臺中四方位回轉(zhuǎn)刀架，通過外部三菱 PLC 的控制，介紹刀架的工作原理，同時也可提高工程技術(shù)人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時間。
關(guān)鍵詞：PLC；電動刀架；主軸
1、問題的提出
數(shù)控車床上使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種較為簡單的自動換刀裝置，也是數(shù)控車床重要的組成部分，其應(yīng)用了自動控制、傳感檢測等方面的最新技術(shù)，是典型的機電一體化產(chǎn)品。合理選配電動刀架，并正確地實施控制，能夠縮短故障排除時間，有效地提高生產(chǎn)效率。
根據(jù)不同加工對象，自動回轉(zhuǎn)刀架有四方刀架和六角刀架等多種形式。回轉(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。目前刀架的控制，都是由 CNC 內(nèi)置 PLC 或固化 IO 控制完成，工程技術(shù)人員理解刀架的控制比較困難，本文擬就FANUC 0i-TF 數(shù)控實訓(xùn)臺中四方位回轉(zhuǎn)刀架，通過外部三菱 PLC 的控制，介紹刀架的工作原理，同時也可提高工程技術(shù)人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時間。
數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架動作的要求是：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動作要求，要有相應(yīng)的機構(gòu)來實現(xiàn)。
2 、刀架的控制
2.1 自動刀架工作原理
①刀架電動機正轉(zhuǎn)，刀架抬起。正轉(zhuǎn)時，電動機回轉(zhuǎn)運動通過蝸桿蝸輪機構(gòu)，轉(zhuǎn)化為直線運動，刀架體向上移動。即刀架電動機正轉(zhuǎn)時，通過蝸桿和蝸輪機構(gòu)將驅(qū)動傳給絲杠，絲杠軸頭固定裝有刀架轉(zhuǎn)位定位銷盤，刀架體內(nèi)孔加工有內(nèi)螺紋，隨著絲杠轉(zhuǎn)動，刀架體內(nèi)彈簧定位銷入位，刀架體向上移動，刀架向上抬起。當(dāng)?shù)都荏w升至一定距離后，刀架體上的端面齒和刀架底座上的端面齒脫開。當(dāng)嚙合齒脫開后，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠螺母轉(zhuǎn)動進行換刀。隨著刀架的轉(zhuǎn)動，刀架體內(nèi)刀位定位銷退出。
②刀架電動機正轉(zhuǎn)尋位。刀架正轉(zhuǎn)進行尋位換刀，PLC 采集霍爾傳感器信號，與選定刀號比對，若傳感器信號與刀號相等，則刀架停止尋位，即正轉(zhuǎn)停止。
③電動機反轉(zhuǎn)，刀架鎖緊。到達(dá)指定刀位時，刀架電動機停止正轉(zhuǎn)，反向鎖緊，完成整個換刀的過程。
2.2 四方電動刀架的控制
四方電動刀架電動機在電氣控制設(shè)計時要正、反轉(zhuǎn)互鎖，電器元件連接時勿接錯導(dǎo)線，還要注意電動機三相電源線的相序，實際中可采用相序繼電器進行判斷。刀架電動機在換刀時必須先正轉(zhuǎn)后反轉(zhuǎn)，這是由四方電動刀架機械結(jié)構(gòu)所決定的，否則會機械卡死，造成電動機過載，損壞電動機。在 PLC 程序設(shè)計中，若到位檢測信號出現(xiàn)問題，或霍爾元件損壞、刀位信號線斷等，則換刀可能不能結(jié)束，若正轉(zhuǎn)或鎖緊時間過長，PLC 應(yīng)有相應(yīng)出錯處理程序，提醒操作人員進行檢修。電動刀架控制原理圖見圖 1，接線圖見圖 2。
圖 1 電動刀架 PLC 控制原理圖
圖 2 電動刀架 PLC 控制接線圖
3、主軸的控制
在實訓(xùn)臺改造過程中，我們充分利用現(xiàn)有設(shè)備，綜合考慮學(xué)生實際，采用變頻器實現(xiàn)對主軸的調(diào)速控制。變頻器連接示意圖見圖 3。
圖 3 變頻器與電動機連接示意圖
主軸電動機采用西門子 MM420 變頻器進行調(diào)速控制，MM420 系列有著高性能的 V/f 控制性能，可提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性，同時具有很強的過載能力，以滿足多種應(yīng)用場合。使用變頻器前，須先熟悉變頻器的操作面板，再根據(jù)實際應(yīng)用場景，對變頻器的各種功能參數(shù)進行設(shè)置。
電機正反轉(zhuǎn)的控制方式可以有二種，一種是面板控制，一種是開關(guān)量端子控制，兩種控制方式不同，參數(shù)設(shè)置也不同。參數(shù)設(shè)置時應(yīng)先恢復(fù)出廠值，再設(shè)電機參數(shù)。
面板控制法主要參數(shù)設(shè)置：設(shè) p1000 設(shè)為 2，開關(guān)量端子不接線，由變頻器面板控制電機的正反轉(zhuǎn)。
開關(guān)量端子控制主要參數(shù)設(shè)置：變頻器 5、6、7、8 為開關(guān)量端子。設(shè) p1000 設(shè)為 2，開關(guān)量端子 5 接正轉(zhuǎn)控制信號、端子 6 接反轉(zhuǎn)信號時，再設(shè) p0701 為 1，端子 5 上高電平電機正轉(zhuǎn)，低電平停機。設(shè) p0702 為 2，端子 6 上高電平電機反轉(zhuǎn)，低電平停機。后期根據(jù)學(xué)生的掌握情況，利用PLC 拓展為多段速控制。變頻器 MM420 主要參數(shù)設(shè)置如表 1 所示。
表 1 變頻器 MM420 主要參數(shù)設(shè)置表
注意事項：
①接線后一定要參考手冊，認(rèn)真復(fù)查，以防接線錯誤而燒壞變頻器，尤其是主電源線路；
②在接線時，擰緊變頻器內(nèi)部力不要過大，以防損壞端子；
③送電和停電過程中一定要注意安全，特別是停電過程中，一定要讓變頻器充分放電，LED 全部熄滅才能打開蓋板，等待 5min 以上；
④在輸入變頻器參數(shù)時，一定要確認(rèn)，以免發(fā)生錯誤；
⑤由于變頻器可以切換電機正反轉(zhuǎn)，所以必須注意使用的安全。在正/反轉(zhuǎn)切換時，根據(jù)電機功率和工作環(huán)境調(diào)整加減速時間。
更改 P1040 和 P1058、P1059 的值，可改變電動機正常運行速度和正、反向點動運行速度。另外，為了檢測主軸電動機的轉(zhuǎn)速，可采用編碼器，其接線為圖 4 所示。
圖 4 旋轉(zhuǎn)編碼器與 PLC 的接線圖
PLC 通過高速計數(shù)器采集來自旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，由程序計算主軸電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對主軸電動機轉(zhuǎn)速的精確控制。
4、 PLC 控制程序
①刀架正反轉(zhuǎn)控制梯形圖如圖 5。
圖5 刀架正反轉(zhuǎn)控制梯形圖
②當(dāng)前刀號判定如圖 6。
圖 6 刀號判定梯形圖
③手動選刀控制如圖 7。
圖 7 手動選刀梯形圖
④主軸速度檢測。主軸速度檢測采用 ZSW610-01C-1200BZ/05L 型旋轉(zhuǎn)編碼器。利用PLC 的 X0、X1 端子，采集旋轉(zhuǎn)編碼器 A、B 兩相高速脈沖數(shù)，通過浮點計算，可以較為精確地計算出 FANUC 0I-TF 數(shù)控車床裝調(diào)系統(tǒng)主軸速度。
⑤觸摸屏控制。本系統(tǒng)改造裝置，選用昆侖通泰 MCGSTPC1061Ti 觸摸屏，方便學(xué)生操作，更加緊密聯(lián)系實踐應(yīng)用，其畫面示意圖見圖 8。
圖 8 觸摸屏畫面示意圖
5、結(jié)束語
通過對實訓(xùn)裝置的改造，將其內(nèi)置 PLC 控制系統(tǒng)剝離，學(xué)生在實訓(xùn)中能靈活控制刀架的運動，改造后的裝置，功能多樣化，可以有效鍛煉學(xué)生電氣選型接線、PLC 編程思維等綜合能力，對于機電一體化及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，通過訓(xùn)練，技術(shù)技能得到顯著提升。
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