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東莞市斯耐克數(shù)控科技有限公司
2021-07-17 11:36:02

[加工與維修] 基于 PLC 的數(shù)控機床刀架控制系統(tǒng)改造

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1、問題的提出

  

數(shù)控車床上使用的回轉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,其應用了自動控制、傳感檢測等方面的最新技術,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,自動回轉刀架有四方刀架和六角刀架等多種形式?;剞D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?;剞D刀架在結構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)控實訓臺中四方位回轉刀架,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)控車床回轉刀架動作的要求是:刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動作要求,要有相應的機構來實現(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,刀架抬起。正轉時,電動機回轉運動通過蝸桿蝸輪機構,轉化為直線運動,刀架體向上移動。即刀架電動機正轉時,通過蝸桿和蝸輪機構將驅(qū)動傳給絲杠,絲杠軸頭固定裝有刀架轉位定位銷盤,刀架體內(nèi)孔加工有內(nèi)螺紋,隨著絲杠轉動,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?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。當嚙合齒脫開后,通過銷釘和止推槽的作用,使得絲杠螺母轉動進行換刀。隨著刀架的轉動,刀架體內(nèi)刀位定位銷退出。


②刀架電動機正轉尋位。刀架正轉進行尋位換刀,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,即正轉停止。


③電動機反轉,刀架鎖緊。到達指定刀位時,刀架電動機停止正轉,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計時要正、反轉互鎖,電器元件連接時勿接錯導線,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后反轉,這是由四方電動刀架機械結構所決定的,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,則換刀可能不能結束,若正轉或鎖緊時間過長,PLC 應有相應出錯處理程序,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。

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圖 1 電動刀架 PLC 控制原理圖

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圖 2 電動刀架 PLC 控制接線圖


3、主軸的控制

  

在實訓臺改造過程中,我們充分利用現(xiàn)有設備,綜合考慮學生實際,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。


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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)實際應用場景,對變頻器的各種功能參數(shù)進行設置。

   

電機正反轉的控制方式可以有二種,一種是面板控制,一種是開關量端子控制,兩種控制方式不同,參數(shù)設置也不同。參數(shù)設置時應先恢復出廠值,再設電機參數(shù)。

  

面板控制法主要參數(shù)設置:設 p1000 設為 2,開關量端子不接線,由變頻器面板控制電機的正反轉。

  

開關量端子控制主要參數(shù)設置:變頻器 5、6、7、8 為開關量端子。設 p1000 設為 2,開關量端子 5 接正轉控制信號、端子 6 接反轉信號時,再設 p0701 為 1,端子 5 上高電平電機正轉,低電平停機。設 p0702 為 2,端子 6 上高電平電機反轉,低電平停機。后期根據(jù)學生的掌握情況,利用PLC 拓展為多段速控制。變頻器 MM420 主要參數(shù)設置如表 1 所示。

 

表 1 變頻器 MM420 主要參數(shù)設置表

 

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注意事項:

①接線后一定要參考手冊,認真復查,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,以免發(fā)生錯誤;

  

⑤由于變頻器可以切換電機正反轉,所以必須注意使用的安全。在正/反轉切換時,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速,可采用編碼器,其接線為圖 4 所示。

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圖 4 旋轉編碼器與 PLC 的接線圖


PLC 通過高速計數(shù)器采集來自旋轉編碼器的信號,由程序計算主軸電動機的轉速,從而實現(xiàn)對主軸電動機轉速的精確控制。


4、 PLC 控制程序

  

①刀架正反轉控制梯形圖如圖 5。

 

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圖5 刀架正反轉控制梯形圖 

  

     ②當前刀號判定如圖 6。

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圖 6 刀號判定梯形圖


     ③手動選刀控制如圖 7。

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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 型旋轉編碼器。利用PLC 的 X0、X1 端子,采集旋轉編碼器 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,方便學生操作,更加緊密聯(lián)系實踐應用,其畫面示意圖見圖 8。

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圖 8 觸摸屏畫面示意圖

  

5、結束語

 

通過對實訓裝置的改造,將其內(nèi)置 PLC 控制系統(tǒng)剝離,學生在實訓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專業(yè)的學生,通過訓練,技術技能得到顯著提升。


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