立式車床電氣控制系統(tǒng)的研究
2019-11-20 來源：中捷機(jī)床有限公司 作者：劉野
1、立式車床電氣控制系統(tǒng)
普通立式車床的電氣控制系統(tǒng)，采用繼電器、接觸器實(shí)現(xiàn)對刀架、主軸的控制，并完成相應(yīng)的保護(hù)，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)化，可以利用四門子 S7-300 進(jìn)行控制。
采用直流伺服電機(jī)對車床提供動(dòng)力，可以提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率、過載能力大，同時(shí)它的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，易于控制，而對于電動(dòng)機(jī)的控制，采用雙回路控制方式，如圖 1。
圖 1 速度環(huán)與電流環(huán)控制回路
在控制回路中，電流環(huán)是作為控制回路的內(nèi)環(huán)，通過接收速度的指令后，在做出反應(yīng)，電路控制中通過電流偏差輸出電動(dòng)機(jī)控制電壓。
利用這個(gè)回路的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：
（1）該回路是標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊和控制回路的結(jié)合體；
（2）具有完善的保護(hù)功能和診斷功能；
（3）有串行通信接口，可以與計(jì)算機(jī)或者傳動(dòng)裝置建立加工過程控制系統(tǒng)；
（4）采用專用的控制模塊，使機(jī)床的傳動(dòng)簡單可靠。立式車床的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以考慮將控制電路與主電路分離開，將內(nèi)部的連線簡化，這樣會(huì)降低主電路的干擾以及操作安全性，同時(shí)電樞控制不受相序旋轉(zhuǎn)的影響，電氣元件選擇標(biāo)準(zhǔn)化零件，減少備件的種類，實(shí)現(xiàn)單一性。
2、PLC控制
立式車床 PLC 控制系統(tǒng)主要是對機(jī)床進(jìn)行邏輯控制，包括工作臺(tái)的啟停、制動(dòng)和電動(dòng)，同時(shí)還對電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變速，機(jī)床橫梁的上下移動(dòng)，刀架的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)以及照明等。
S7-300PLC 是一個(gè)模塊化、無風(fēng)扇的系統(tǒng)，易于用戶操作和掌握，性價(jià)比高，組成部分包括導(dǎo)軌、電源、中央處理器、接口、信號、功能模塊等。
S7-300 的通信接口有 AS-i 接口、PROFIBUS 和以太網(wǎng)接口。通信類型有過程通信和數(shù)據(jù)通信，過程通信主要是對總線和 I/O，數(shù)據(jù)通信是人機(jī)界面和控制系統(tǒng)之間的通信。
S7-300PLC 硬件配置如圖 2 所示。
圖 2 S7-300 硬件配置
它的供電采用 DC24V，這樣對硬件和 PLC 可以起到一個(gè)相應(yīng)的保護(hù)，同時(shí)硬件配置上還帶有負(fù)載開關(guān)，做好軟件的短路保護(hù)。
應(yīng)用 STEP 7 作為 S7-300 的軟件，它是 S7-300 的標(biāo)準(zhǔn)配置，是實(shí)現(xiàn)組態(tài)和編程的軟件，功能有設(shè)置和管理、分配參數(shù)、管理符號、創(chuàng)建程序、編程、測試、運(yùn)行等，軟件內(nèi)有三種編程語言，STEP 7 可以通過以下三程序來編寫 PLC 控制程序：
（1）線性程序
這個(gè)方法是將用戶編寫完成的程序放置在一個(gè)指令快內(nèi)，機(jī)床在執(zhí)行時(shí)候，是通過線性或者順序的方式；
（2）分部編程
這個(gè)是將程序分離開，將任務(wù)分解成子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)由一個(gè) FC 完成，這樣在執(zhí)行時(shí)候，不會(huì)數(shù)據(jù)交換，也沒有重復(fù)代碼；
（3）結(jié)構(gòu)化程序
是指對控制中控制過程和控制要求相近或類似的功能進(jìn)行分類。
3、刀架位置模糊PID控制
立車加工范圍廣，加工材料的性能也不同，有的材料需要粗糙度要好，有的材料硬度高，所以對機(jī)床刀具的要求也高，進(jìn)給量也隨之而改變，如何實(shí)現(xiàn)刀架的位置精度和控制的準(zhǔn)確性，是非常重要的。
模糊控制系統(tǒng)通過模糊集合論、語言變量以及推理，再通過計(jì)算機(jī)智能控制，可以準(zhǔn)確把控車床的刀架位置，圖 3 為組成框架。
圖 3 模糊控制器組成框架
模糊化接口，是控制器輸入與輸出求解的重要接口，作用是將真實(shí)的確定量變成一個(gè)模糊矢量。
知識(shí)庫，數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫構(gòu)成了知識(shí)庫，數(shù)據(jù)庫是模糊控制系統(tǒng)存放變量和模糊子集的知識(shí)庫，規(guī)則庫包含模糊語言變量標(biāo)識(shí)一系列控制規(guī)則。
推理與解模糊接口，這個(gè)是對之前控制系統(tǒng)中模糊量和變量進(jìn)行求解的模塊，并最終獲得模糊控制量的部分。
模糊 PID 控制是根據(jù)專家和操作人的經(jīng)驗(yàn)，在根據(jù)模糊控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)模型，對機(jī)床系統(tǒng)控制的方法，通過對系統(tǒng)過程模式的識(shí)別，利用模糊控制規(guī)則對 PID 參數(shù)進(jìn)行修改，達(dá)到 PID 參數(shù)模糊自整定的目的。
4、結(jié)語
立式車床實(shí)現(xiàn)數(shù)控可以大大提高加工精度和加工效率，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，從總線到網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)計(jì)，在到最后的PLC 軟件，實(shí)現(xiàn)車床自動(dòng)化是密不可分的，對于參數(shù)變化范圍較大時(shí)候，利用模糊 PID 控制就可以增加使用性能，立車的最終方向是向著高速、實(shí)時(shí)、可靠的集成性自動(dòng)化方向，PLC 軟件編程是實(shí)現(xiàn)控制的最好辦法。
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