基于ＰＬＣ的数控机床电气控制研究

摘要：主要对高精度PLC可编程数控机床的电气控制系统进行介绍,提出了电气控制系统总体方案以及设计框架。并详细介绍了高精度PCB数控机床的电气控制系统的硬件设计和各功能模块。系统采用SIMOTION D、变频器、电机、光栅尺构成全闭环控制系统。同时为了提高生产率而采用工件自动夹紧、机械手自动换刀、断刀检测等多种功能,实现机床监控的自动化。 
　　PLC数控钻床是用于对PCB板进行加工的一种机床,其本质是通过对孔进行平面定位来控制微孔加工钻床。一般运动执行方式有两种:一种是采用伺服电机或者步进电机和滚珠丝杠作为运动执行部件,第二种是通过直线电机直接带动工作台运动。新的电气控制系统设计采用模块化的设计技术,从机床的机械部分、控制系统的硬件和软件方面进行全新的设计。可以实现高精度的闭环控制,高可靠的状态控制,高效率的加工方式以及友好的人机界面。 
1、电气控制总体设计 
　　1.1机械设计? 
　　总体布局采用X、Y轴分立式结构,装配简单,两方向运动质量基本相同。X、Y轴的电机带动滚珠丝杠旋转,通过螺母副带动工作台在X、Y方向上移动。Z轴结构对于高速钻孔极其重要,设计和制造严格保证驱动电机主轴和钻孔主轴共线。采用上端固定下端悬臂丝杠结构,采用弹性联轴器。滚珠丝杠和导轨采用国际知名品牌。机床底座,横梁,工作台采用全花岗石,保证高精度稳定性和温度稳定性。 
　　1.2电气控制原理? 
　　　 这个系统的工作原理是,机读取文件信息,把数据传递给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直接识别,所以通过传感器模块转换为标准的信号传递给SIMOTION D。被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扩展模块中,再送入SIMOTION D中,运用强大的工艺处理、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。 
2、PLC可编程数控机床电气控制 
　　 为了实现较高的控制精度,采用变频器、电机、光栅尺构成全闭环控制系统。同时为了提高生产率,数控机床具有工件自动夹紧、机械手自动换刀、断刀检测、通信检测自动建立通信连接以及刀位检测等多种功能,实现机床监控的自动化。 
　　2.1硬件结构? 
　　数控机床是由上位机软件、下位机软件、硬件电路和机械部分组成。硬件电路负责机床的驱动、各部分之间信息的传递以及系统的保护等。 
　　(1)机械手换刀。 
　　机械手为气动型有两个自由度,向上伸出机械臂和刀具加紧。分别通过对电磁阀的开关控制实现对机械手气缸进气控制使机械手可以自由的伸出、收回、加紧刀具和松开刀具。为了刀具被正确的放回刀库,机械手的伸出长度可以由SIMOTION D控制,实现方式为机械手的运动活塞带有磁性,在气缸外壁安装磁性感应开关,当机械手运动到某一位置时感应开关接通,SIMOTION D收到信号后立即关闭机械手的进气路达到机械手限位目的。
(2)断刀检测。 
　　短刀检测采用光纤传感器,为OC门形式,三根接入线可以直接接24V电源,信号线可以通过电阻介入24V构成电平输出。传感器的一根光纤输出一束红外线,另一根光纤接受这束红外线,这样可以通过是否被遮挡判断道具是否失效。其原理图如图2所示。 
　 　　2.2系统功能模块? 
　　软件的设计是整个系统的组成部分,是硬件按照要求工作的指挥者。下位机软件是运行在序,负责从上位机接收数据并控制执行部件工作和检测机床状态的任务。已经组态好轴以后就可以通过程序对轴进行操作。SIMOTION D内部程序是由操作系统调用的,SCOUT为我们提供了大量的功能块方便调用。 
　　(1)轴使能功能块。 
　　此功能块主要是对即将启动的轴进行初始化。在启动一根轴之前必须先对此轴进行使能。步骤为在中选择要使能的轴,选择使能方式。 
　　(2)轴的位置控制功能块。 
　　轴的位置控制功能块是驱动一根轴运动到指定的位置。 
　　(3)轴的回零功能块。 
　　对于非绝对值编码器,每次系统上电轴必须回零以确定轴的当前位置。 
　　(4)关闭轴功能块。 
　　在轴不再启动时可以关闭轴。在关闭轴后如果在操作轴运动是非法的会造成停机。 
　　2.3调试结论? 
　　本系统具有6根轴,使用了接近开关、深度检测传感器、机械手、压力传感器和变频器等多种输入输出器件,各器件之间的相互融合性对系统的性能具有决定性作用。所以本系统的调试工作极为重要。经过空载调试、主轴调试、传感器工作参数调试、自动换刀和上位机控制调试,可以知道,高精度PLC数控机床的电气控制系统是成功的,具有高的可靠性和抗干扰能力,具备较高的动态特性与快速反应能力。其中电机调试中的低速鸣叫与其载波频率相关,而一般鸣叫则与其电流增益相关,严重的振动则是伺服增益参数需要较大调整,也就还需要进一步努力。