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基於 PLC 與 GOT 的 CA6140 臥式車床進給係（xì）統的（de）改造設計

2017-7-10 來源：廣東石油化工學院機電工程學院作者：喬東凱（kǎi），趙晶英（yīng），陳軍，廖輝

摘要： 闡述了 CA6140 臥式車床控製的原理與存（cún）在的問（wèn）題，並細述（shù）了采（cǎi）用可編程控製器（qì）、觸摸屏、編碼器、步進驅動器和步進電機對 CA6140 臥式車床的進給（gěi）運動自動控製的（de）具體方法（fǎ），從（cóng）而實現了該（gāi）車床智能化控製的目的。實（shí）踐證明該方法經濟實效，對其他類型的機床或電氣設備的改造具有借鑒（jiàn）和指導意義。

關鍵詞（cí）： 可編程控製器；觸摸屏；車床；編碼器；步進電機

0.引言

CA6140 臥式車床進給的轉速控製是通過轉動手柄來控製，要改變刀架（jià）的移動轉速，必（bì）須在刀（dāo）架停止的情況下進行，速度轉換時要轉動手柄，操（cāo）作不便。有時需要頻（pín）繁地更換其主軸轉速，加快了齒輪之間的磨損，導（dǎo）致轉速達不到（dào）要求。此外，齒輪在工作時，出現噪聲（shēng）大，啟動、傳動不平穩（wěn），換（huàn）速時衝擊力大等問題。進給運動的進給量是通過手輪來控製的，會出現手輪（lún）轉（zhuǎn）動後，存在一小段（duàn）距離，刀架沒有移動，導致加工出現誤差。

1 調速改（gǎi）造（zào）方案的確定

未改造前，進給運動的轉速是由轉動手柄在（zài）不同擋位來控製，即改變齒輪之間（jiān）的齧合，其進給量則（zé）由手（shǒu）輪控製。機床改造後，用步進（jìn）電機（jī）代替溜板箱縱向移動的（de）大手輪（lún）和控製中滑板橫向運動的小手輪，並通過編碼（mǎ）器實時反映距（jù）離，采用觸摸屏和 LC技（jì）術控製（zhì）進給運動的進給量和（hé）進給（gěi）速度。（1）調速原理步進電機的轉速

由式（1）可知，改變步進電機的頻率就可（kě）以調節進給速度，並且其頻率可在一定範圍內變化，所以（yǐ）轉速調節（jiē）範圍寬。步進電機的轉動圈數

由式（2）可知（zhī），改變步進電機的（de）脈衝數可以改變步進電機轉（zhuǎn）動的圈數，進而改變移（yí）動的距離。（2）PLC、步進電機、步進驅動器、觸摸屏和編碼器的（de）選（xuǎn）擇根據實（shí）際情（qíng）況，係統需要控製 2 個步進電機，即PLC 需要 2 個高速脈衝輸出（chū），為方便操（cāo）作和保證（zhèng）係統的可（kě）見性，係統配（pèi）備有（yǒu）觸摸屏，故所需（xū） PLC 的點數（shù）較少，且要連接編碼器，需要晶體管輸（shū）出，最終選擇型號為（wéi） FX3U－32MT 的三菱 PLC。由於代替手輪（lún）和手柄轉動的（de）步進電機不需要太大力矩，選擇步進（jìn）電機 57BYG250B -SAFRMC －0152，其保持轉矩為0.7 Nm，步距（jù）角是 1.8°，相數為（wéi） 2 相。相應地選擇步進驅動器為（wéi） SH-20402A。編碼器（qì）選（xuǎn）擇型號為E6B2 -CWZ5B，觸摸屏選擇性價比較高的型號為MT8104X 的威綸觸摸屏。（3）PLC 輸入、輸出點的連接PLC 輸入點、輸出點的連接如（rú）表 1、表 2 所示。

表 1PLC 輸入點的連接（jiē）

編碼（mǎ）器 1（與大手輪連接（jiē））的脈衝與方向端分別與 X0、X1 連接；編碼器（qì） 2（與小手輪連接）的脈衝（chōng）與方向端分別與 X3、X4 連接；將一個急停按鈕與 X6連接，用來緊急（jí）停止整個係統。

表 2 PLC 輸出點的連接

輸出點（diǎn） Y0 用於給控製床鞍和溜板箱縱向移動大手（shǒu）輪的步進電機驅動器 1 發送高速脈衝；輸出點Y1 用於給控製（zhì）中滑板橫向運動手柄的步進電機驅動器 2 發送高（gāo）速脈衝（chōng）。連接到 Y2、Y5 的中間繼電器分別控製步進驅動器（qì） 1 和 2 的通電與斷電。輸（shū）出點（diǎn）Y3、Y6 分別給步進驅動器 1 和 2 發送方向信（xìn）號，控製步進電機 1 和 2 正轉。輸出點 Y4、Y7 則是使步進驅動器 1 和（hé） 2 脫機。（4）PLC 與步進驅動器、步進電（diàn）機的連接（jiē）PLC 與步進驅動器、步進電機的連接如圖 1 和圖（tú）2 所。

（5）PLC 與觸摸（mō）屏的通訊PLC 與觸（chù）摸屏（píng）的通訊如（rú）表 3 所示（shì），PLC 與觸摸屏接口類型（xíng）為 RS-485 4W，通訊端口為 COM1，通訊（xùn）線（xiàn）：觸摸屏（公頭）1、2、3、4、5 對應 PLC（公（gōng）頭）4、7、1、2、3。

表 3PLC 與觸摸屏的通訊

（6）主軸速度和進給（gěi）運動的控製步進（jìn）電機通（tōng）過步進驅動器來（lái）控製，即 PLC 通過步進驅動（dòng）器來控製步進電機（jī）。具體方法是 PLC 給步進驅動器（qì）輸出一個高速脈（mò）衝、方向和脫機信號。因為係（xì）統采用的是 64 細分，所以要將步進驅動器的刻度盤調到 64 細分（fèn）。編碼器（qì）則連接到 PLC 的輸入點，利（lì）用高（gāo）速計數器記錄下脈衝數，進而通過程序處理，反映出實時距離。PLC 開機初始（shǐ）化的程序如圖 3 所示。

當給 PLC 上電時，M8002 接通一個掃描周期，係統對 M0~M100，D0~D100，C247~C248 進行清零。高速計數器計數並轉換為距離和清零操作程序如圖 4 所示。

圖 4 高速計數器計數並轉換為距離和清（qīng）零操作

與縱向軸相連接（jiē）的編（biān）碼器是通過式（1）進（jìn）行距離轉（zhuǎn）換，編碼（mǎ）器的軸與齒數為 120 及模數為（wéi） 0.25 的齒輪相聯。因此，可以求出（chū）齒輪的直徑

如（rú）圖 4 所（suǒ）示，當 PLC 開機（jī）後，編碼器轉換程序一直在執行（háng），反映出進給移動的實時距離。編碼器輸（shū）出的脈衝（chōng）用高速計數器計數。縱（zòng）向編碼器的脈衝由高速計數器 C247 計數，然後保存（cún）在寄存器 D30中，之（zhī）後乘（chéng）以 9 577，結果保存在 D35 中（zhōng），最後除以200 000，結果保存在 D39 中。橫向編（biān）碼器的脈衝由高速計（jì）數（shù）器 C248 計數，然後保存在 D40 中（zhōng），再除以400，把運算結果保存在 D45 中。對高速計數器 C247、C248 的清零，則是在手動對完縱（zòng）向和橫向刀後進行，確定零點位置。主軸轉速和方向控製程序如圖 5 所示。

當 M4 接通時，控製主（zhǔ）軸正轉；當 M8 接通時，控製主軸反（fǎn）轉；當 M6 接通時，停止主軸（zhóu）轉動。同時（shí）正轉和（hé）反轉設計了互鎖，即正、反轉之間的切（qiē）換，必（bì）須要停止主軸，從而保護了（le）主軸電動機。縱向進給速度、進給量和方向控製如圖（tú） 6 所示（shì）。

圖 6縱向進給速度、進給（gěi）量和方向控製

當線圈 M23 接通時，線圈 Y2 通電，給步進驅動器 1 上電；當線圈 M24 接通時，則步進驅動器 1 斷電。當（dāng） M25 接通時，線圈 Y4 通電，給步進驅動（dòng）器 1發送脫機信號（hào）。 M26 和（hé） M27 是手動分別控製步進電機的（de）正反轉，即（jí）前進或後退。當 M28 接通時，自動控製步進電機正轉；當 M29 接（jiē）通時，自（zì）動控製步（bù）進電機反轉。當 M27 或 M29 接通時，切斷步進驅動器（qì）方向信號 Y3，進（jìn）而控製步進電機反轉。當（dāng） M28 或M29 接通時，M30 自鎖，給步進驅動器（qì）輸出脈衝。其中（zhōng） D0 和 D4 的值（zhí）可以根據需要進行改變，分別改變進給縱向的進給（gěi）速度和進給量。橫向進（jìn）給速度、進給量和方向控製（zhì）的程序如圖7 所示。

圖 7橫向進給速度、進給量和方向（xiàng）控製

當線圈 M34 接通時，給步進驅動（dòng）器上電；當線（xiàn）圈 M36 接通時，則斷電。當 M38 接通（tōng）時，給步進驅動器 2 發送脫機信號 Y7。 M40 和 M42 是手動分別控製步進電機的正反轉，即前進或後退（tuì）。當 M43 接通時，自動控製步進電機正轉；當 M44 接通時，自動控製步進電機（jī）反轉。當 M42 和 M44 接通時，切（qiē）斷步進驅動器方（fāng）向信號（hào） Y6，進而控製步進電機反轉。當M43 和 M44 接（jiē）通時，M46 自鎖，給步進驅動器輸出脈衝。其中 D8 和 D12 的值（zhí）可以根據需要進行改變，分別改變進給橫向運動的（de）轉動速度和進給量。進給運動的速度和進給量轉換如圖 8 所示。

圖 8 進給運動（dòng）的速度和進給量轉換

當 M52 接通時，將速度值 D60 根據式（1）轉換為頻率保存在 D0 中；將進給量 D70 根據式（2）轉換為轉動的圈數後，再轉變（biàn）為脈衝數保存在 D4。當M54 接通時，將速（sù）度（dù）值 D75 根據式（1）轉換為頻率保存在 D8 中；將進給量 D85 根據式（2）轉換（huàn）為（wéi）轉動的圈數後，再轉變為脈衝（chōng）數保（bǎo）存在 D12。進（jìn）給運動的橫向與縱向運動的控製如圖 9 所（suǒ）示。9圖 9進（jìn）給（gěi）運動的橫向與（yǔ）縱向運動控製當M60 接通時，M62 自鎖，開始橫向運動；當所走距離值（zhí） D35 與所設距離值 D90 相等時，M64 接通，開始縱向運動（dòng）；當所走距離值 D45 與所設（shè）距離值 D95 相等時，複（fù）位 M62，即停止運動。當 M66 接（jiē）通時（shí），M68 自鎖，開始縱向運動；當（dāng）所走距離（lí）值 D45 與所設距離值 D95 相等時，M70 接通，開始橫向運動。當所走距離值 D35 與所設距離值 D90 等時，複位M68，即停止運動。當 M72 接通時，M74 自鎖（suǒ），橫（héng）向和縱向運動同時進行，當所走（zǒu）距離值與所（suǒ）設距離值相等（děng）時（shí），複位 M74，即停止運動。

2.結語

本設計從（cóng）電氣控製（zhì）方案、元器件選型及機加（jiā）工係統（tǒng）現場環境等因（yīn）素綜合考慮（lǜ），對 CA6140 車床的（de）進給運（yùn）動進行了電氣化改造，改造（zào）後的該設備控製電路簡（jiǎn）單，穩定性和可靠性也增（zēng）強，操作方便，實現了進給（gěi）係統的自動（dòng）化控製，進而提高了加工精度。

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