基于plc的電氣自動(dòng)化
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基于plc的電氣自動(dòng)化
摘要：對數控機床電氣控制系統的控制方式、系統功能、主要實(shí)現部件，進(jìn)行了選擇和分析，然后給出一個(gè)完整的基于plc的數控機床電氣控制系統工作原理方案。
關(guān)鍵詞：plc 數控機床 電氣控制
目前數控機床相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對各機床各個(gè)坐標軸的位置進(jìn)行連續控制外，而且需要對機床主軸停止、轉向和進(jìn)給運動(dòng)的啟動(dòng)和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開(kāi)關(guān)、夾具定位等動(dòng)作，進(jìn)行特性次序控制。
特定次序的控制信息，由輸入/輸出控制，如控制開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、溫度開(kāi)關(guān)等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控制，同時(shí)還包括主軸驅動(dòng)和進(jìn)給伺服驅動(dòng)的使能控制和機床報警處理等[1~5]。
隨著(zhù)可編程序控制器(plc)技術(shù)的發(fā)展，上述綜合功能是可以由數控機床中的可編程序控制器來(lái)完成的[1~2]。
它是由輸入部分，邏輯部分和輸出部分組成，輸入部分收集并保存被控制部分實(shí)際運行的數據，邏輯部分處理輸入部分所取得的信息，并判斷哪些功能需做出輸出反應。
輸出部分提供正在被控制的許多裝置中，哪幾個(gè)設備需要實(shí)時(shí)操作處理。
筆者基于plc控制來(lái)分析對一類(lèi)數控機床的電氣控制設計，主要包括對控制方式的選擇和分析。
對電氣控制系統中的主要實(shí)現部件進(jìn)行分析和選用，以及提出完整的基于plc的數控機床電氣控制系統工作原理方案。
1基于p lc的數控機床電氣控制方式的選擇
數控機床電氣控制方式優(yōu)劣，決定了控制系統的成敗[3,5]。
本文所提及的系統，要控制機床實(shí)現高速高精度的加工，所以系統的性能至關(guān)重要：首先要根據預定要求和被控對象的特征、控制精度、系統運行速度等限制進(jìn)行了綜合考慮，同時(shí)，充分考慮系統的性能價(jià)格比等因素，確定x、y軸采用pc機+運動(dòng)控制器+電機+光柵尺的方式進(jìn)行閉環(huán)控制。
采用此種方式，pc機發(fā)揮了強大的文件處理功能、人機交互功能以及高速的數據處理功能，運動(dòng)控制器則體現了高可靠性、高速性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，光柵尺則為系統提供了高達1μm的精度的位置信息。
同時(shí)，運動(dòng)控制器可以接入機床的各種傳感器，并及時(shí)做出處理，提高了整個(gè)系統的可靠性和穩定性。
運動(dòng)控制卡只能接入少數幾根軸，而運動(dòng)控制器可以大量擴展軸的數目，為系統以后的升級帶來(lái)便利。
運動(dòng)控制器同時(shí)還可以通過(guò)一個(gè)標準接口接入一個(gè)plc系統，即運動(dòng)控制器同時(shí)可以執行plc功能。
2數控機床的功能分析
本文分析的數控機床，是一拖四的機床，有x、y軸和四個(gè)z軸上的伺服電機，來(lái)進(jìn)行工作臺定位。
x、y、z軸可以聯(lián)動(dòng)，四個(gè)z軸可以同時(shí)運動(dòng)，也可以分開(kāi)運動(dòng)。
為了提高加工精度，工作臺的x、y軸運動(dòng)，利用光柵尺實(shí)現全閉環(huán)控制，對工作臺進(jìn)行精確定位。
通過(guò)外擴模擬量i/o點(diǎn)對高速變頻器進(jìn)行控制，實(shí)現四個(gè)主軸電機可以進(jìn)行啟停分開(kāi)控制，轉速同步控制。
x、y軸進(jìn)行兩側硬限位和軟限位雙重保護，對z軸下側進(jìn)行軟硬限位。
主軸轉速高達16萬(wàn)r/min，實(shí)現較高的加工效率，并配備專(zhuān)用的冷卻水泵對電機進(jìn)行冷卻，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測電機溫度，提供溫度保護。
為每根主軸安裝機械手和刀庫，實(shí)現自動(dòng)換刀和手動(dòng)換刀可選擇。
為了提高加工質(zhì)量，機械手換刀后，進(jìn)行刀具深度和位置檢測。
加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測刀具磨損以及斷刀情況，出現刀具失效，可以自動(dòng)通過(guò)機械手換刀或者提示操作者手動(dòng)換刀。
為了穩定加工，系統具有高速的上下位機通訊功能，上位機可以隨時(shí)對下位機進(jìn)行控制，下位機也把各種信息傳到上位機。
3電氣控制系統組成
控制系統由pc機(工控機)，simotion，電源模塊，電機模塊，電機，光柵尺，smc30(傳感器模塊)，分布式1/0et200m(包括數字量模塊和模擬量模塊)，機械手，主軸變頻器，高速主軸以及多個(gè)傳感器以及限位開(kāi)關(guān)組成。
具體的分析及其選用如下：
3.1上位機
上位機是一臺pc機(工控機)，主要負責從加工文件中讀取需要數控機床加工流程(以鉆孔為例)的鉆孔的孔位和孔徑信息，以及為用戶(hù)提供友好的界面設定加工參數，最后通過(guò)tcp/ip協(xié)議，把這些數據傳到運動(dòng)控制器。
3.2 s imotion運動(dòng)控制器simotion d是整個(gè)控制系統地核心，所以simotion d的運行速度和可靠性，會(huì )對整個(gè)系統產(chǎn)生決定性影響。
本系統選擇的simotiond內部結構，是由西門(mén)子plc5300和西門(mén)子的運動(dòng)控制cpu組合而成，所以繼承了plc工業(yè)運用上的高可靠性?xún)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)也繼承了運動(dòng)控制系統對運動(dòng)控制的靈活性。
simotion是一個(gè)全新的西門(mén)子運動(dòng)控制，它是世界上第一款針對生產(chǎn)機械而設計的控制系統。
simotion的目的是為實(shí)現各種運動(dòng)控制任務(wù)提供一種簡(jiǎn)單、靈活的控制系統。
為了確保成為最佳的控制方案，simotion的功能得到了很大程度的擴展。
simotion主要有三大功能：
(1)運動(dòng)控制。
(2)邏輯控制，例如，對輸入信號的邏輯門(mén)處理，以及對輸出信號的分析與賦值。
(3)工藝控制，例如壓力控制、溫度控制等。
目前simotion面向的行業(yè)，主要是運動(dòng)復雜、速度及精度的要求較高的制造機械、包裝機械，橡塑機械，鍛壓機械，紡織機械，以及其他生產(chǎn)機械領(lǐng)域。
3.3電源模塊
一般變頻器的工作方式，為先把一定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟�，再由逆變器把直流電變�(yōu)橹付l率的交流電。
simo-tion運動(dòng)控制系統，采用通過(guò)電源模塊把工業(yè)交流電變?yōu)橹绷麟�，再分配給多個(gè)電機模塊的方式。
電源模塊分為可調電源模塊和不可調電源模塊。
可調電源模塊，可以根據參數把它轉化出來(lái)的直流電穩定到一個(gè)指定的可變值，并且具有與simotion通信的功能。
不可調電源模塊，只能輸出一個(gè)固定的直流電壓，而且不能同simotion通信。
3.4電機模塊
電機模塊主要是把540v或600v的直流電，逆變成指定頻率的三相交流電，供給電機使用。
目前的電機模塊有兩種類(lèi)型：書(shū)本型和裝機裝柜型。
書(shū)本型又分為單軸電機模塊和雙軸電機模塊，單軸為3-200a。
雙軸為3-18a。
電機模塊和主控單元之間通過(guò)drive-cliq接口，進(jìn)行快速數據交換。
因為要對x、y和四個(gè)z軸進(jìn)行伺服控制，所以采用3個(gè)書(shū)本型雙電機控制模塊，來(lái)對6個(gè)軸進(jìn)行控制。
3.5伺服電機
伺服電機是數控系統的動(dòng)力提供者，本系統的x、y和4個(gè)z軸，都采用的是高動(dòng)態(tài)相應的交流伺服電機。
電機可以進(jìn)行矢量控制和伺服控制，電機上還帶有旋轉編碼器，用來(lái)組成一個(gè)電機位置閉環(huán)系統，實(shí)現對電機的精確控制。
電機本身所帶編碼器的精度在10μm左右。
電機也具有drive-cliq接口，可以實(shí)時(shí)上傳電機的狀態(tài)參數，在系統自動(dòng)組態(tài)時(shí)，可以上傳自己的銘牌數據，極大地方便了系統組態(tài)。
同時(shí)電機上邊全部用標準安全接口，為電機接線(xiàn)時(shí)，只需把相應的插頭插入即可。
3.6光柵尺
西門(mén)子伺服電機本身帶有編碼器，但是電機編碼器的精度只能達到10μm，離要求的5μm差距較大。
所以用外部光柵尺檢測工作臺的位置，并把精確的位置信息通過(guò)smc30(傳感器模塊)轉換成標準信號，傳遞給simotion進(jìn)行處理。
光柵尺選用業(yè)界知名的renishaw公司產(chǎn)品中的rg4系列。
3.7變頻器
數控機床的主軸速度，要求的非常高(12萬(wàn)r/min以上)，所以為了對高速主軸進(jìn)行控制，要選擇一種高速變頻器。
臺達v系列可以滿(mǎn)足高速主軸的頻率要求。
由于simotion上沒(méi)有用來(lái)同臺達變頻器進(jìn)行通信的485串口，所以對臺達變頻器的控制，采用模擬量控制方式。
方案為simotion d擴展et200m獲得模擬量i/o來(lái)對臺達變頻器進(jìn)行控制。
3.8高速主軸
機床的主軸采用西風(fēng)的f16 160000rpm高效率pcb鉆孔主軸，采用全流道冷卻系統，是一種高精度、高壽命、高穩定性的全功能pcb鉆孔主軸。
刀具加緊方式，采用啟動(dòng)夾緊方式，冷卻系統則為干凈的水循環(huán)利用，不能使用去離子水。
為了對獨一主軸進(jìn)行保護，主軸內置ntc溫度控制系統。
3.9其他傳感器
()lomron接進(jìn)開(kāi)關(guān)。
本系統對工作臺的回零，采用外部 標志加編碼器零位方式回零，工作臺回零時(shí)的外部標記用接 近開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，同時(shí)4個(gè)z軸限位，也是通過(guò)接進(jìn)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現 的。
本控制系統的限位回零采用此接近開(kāi)關(guān)。
(2)深度檢測系統。
本系統可以采用機械手自動(dòng)換刀或者 手動(dòng)換刀，由于換刀過(guò)程中，會(huì )出現刀具的夾裝位置不同，造 成鉆孔深度不同，也會(huì )出現刀具安裝傾斜等情況。
ncpcb tool setting device(刀具檢測系統)可以在自動(dòng)換刀或者手動(dòng)換刀 后，進(jìn)行檢測刀具深度以及方向是否正確。
4電氣控制系統總體工作方案設計
如圖1所示，為該電氣控制系統總體工作方案原理圖。
該 電氣控制系統總體工作方案是：pc機讀取文件信息，把數據 傳遞給simotion d。
simotion d再根據這些收到的數據，控 制電機模塊驅動(dòng)電機，帶動(dòng)工作臺進(jìn)行位置控制。
光柵尺實(shí)時(shí) 檢測工作臺的位置信息，并傳遞給simotion d，實(shí)現對工作 臺進(jìn)行位置調整，滿(mǎn)足對位置的精度要求。
由于光柵尺信號不 能由simotion d直接識別，所以通過(guò)傳感器模塊smc30轉 換為標準的信號，傳遞給simotion d被et200m從simotion d接收到主軸的轉速信息，通過(guò)模擬量模塊輸出一 個(gè)相應的電壓，控制變頻器驅動(dòng)主軸轉動(dòng)。
工作臺的工作狀態(tài)，可以通過(guò)多個(gè)傳感器(如接近開(kāi)關(guān)、斷刀檢測傳感器、深度檢測傳感器等)檢測到并傳入系統。
這些傳感器的信號先送到 simotion的擴展模塊et200中，再送入simotion中，運用 simotion強大的工藝處理、邏輯處理能力，對這些信號進(jìn)行 處理，從而完成整個(gè)的加工任務(wù)。
5結束語(yǔ)
數控設備在我國已廣泛生產(chǎn)和應用，但水平還不高，這嚴 重制約著(zhù)我國生產(chǎn)加工工藝的提高。
究其原因，主要體現在電 氣控制部分。
本文給出的數控機床電氣控制思想和方法，經(jīng)過(guò) 長(cháng)期運行，證明其設計合理，控制精度高，性能可靠，能大大提 高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，不失為一種優(yōu)秀的數控電氣控制方案。
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