基於（yú） PLC 與 GOT 的（de） CA6140 臥式（shì）車床進給係統的改造設計
2017-7-10 來源：廣東石油化工學院 機電工程學院 作（zuò）者：喬東凱， 趙晶英， 陳 軍， 廖（liào） 輝
摘要： 闡述了 CA6140 臥式車床控（kòng）製的原（yuán）理與存在的問題，並細述了（le）采用可編程控（kòng）製器、觸摸屏（píng）、編碼器、步進驅動器和步進電機對（duì） CA6140 臥式（shì）車床的進給運（yùn）動自動控製的具體方法，從而實現了該車床智能化（huà）控製的目的（de）。 實（shí）踐證（zhèng）明該（gāi）方法經濟實效，對其他類型的（de）機床或電氣（qì）設備的改造具有借鑒和指導意義（yì）。
關鍵詞： 可編程控製器； 觸（chù）摸屏（píng）； 車床； 編碼器； 步進電（diàn）機
0.引言
CA6140 臥式車床進給的轉速控製是（shì）通過轉動手柄來控製，要改變刀架的移（yí）動轉速，必須在刀架停止的情況下進行，速度轉（zhuǎn）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（zhuǎn）速，加快（kuài）了齒輪之間（jiān）的磨（mó）損，導致轉速達不到要（yào）求。 此外，齒輪在工作時，出現噪聲大（dà），啟動、傳（chuán）動不平穩，換速時（shí）衝擊力大等問題。進給運動的進給量（liàng）是（shì）通過手輪來控製的，會（huì）出（chū）現手輪轉動後，存在一小段（duàn）距離，刀架沒有移動，導致加工出現誤差。
1 調速改造方案的確定
未改造前，進給運動的轉速是由轉動手柄在不同擋位來控製，即改（gǎi）變齒輪之間的齧合，其（qí）進給量則（zé）由手輪控製。 機床改造後（hòu），用步（bù）進電機代替（tì）溜板箱縱（zòng）向移動的大手輪和控製（zhì）中（zhōng）滑（huá）板橫向運（yùn）動的小手輪，並通過編（biān）碼器實（shí）時反映距離，采用觸摸屏和 LC技術（shù）控製進給（gěi）運（yùn）動的進給量和進給速度。（1）調速原理步進電機的轉速
由式（1）可知，改變步進（jìn）電（diàn）機的頻率就可以調（diào）節進給速度，並且其頻率可在一定範圍內變化，所以轉速調節範圍寬。步進電機的轉動圈數
由式（2）可知，改變步進電機的（de）脈衝數可以改（gǎi）變步進電機轉動的圈數（shù），進（jìn）而改變移動的距離。（2）PLC、步進電機、步進驅動器、觸摸屏和編碼器的選擇根據實際情況，係統需要控製 2 個步進電機，即PLC 需要 2 個高速脈（mò）衝輸出， 為方便操作和保證係統的可見（jiàn）性，係統配備（bèi）有觸摸屏，故所（suǒ）需 PLC 的點數較少（shǎo），且要連接編碼器，需要晶體管輸出，最終選擇型號為 FX3U－32MT 的三菱 PLC。 由於代（dài）替手（shǒu）輪和手柄（bǐng）轉動的步進電機不需（xū）要太（tài）大力矩，選（xuǎn）擇步進電 機 57BYG250B -SAFRMC －0152， 其保持轉矩為0.7 Nm，步距角是 1.8°，相數為 2 相。 相應地選擇步進驅（qū）動器為 SH-20402A。 編碼 器（qì）選擇型號為（wéi）E6B2 -CWZ5B， 觸摸屏選擇性價比較高（gāo）的型號為MT8104X 的威綸觸摸屏。（3）PLC 輸入、輸出點的連接PLC 輸入（rù）點（diǎn）、輸（shū）出點的連接如表 1、表 2 所示（shì）。
表 1PLC 輸入點的連接
編碼器 1（與大手輪連接）的脈衝與方（fāng）向端分別與 X0、X1 連接；編碼器 2（與小手輪連接）的脈衝與方向端分別與 X3、X4 連接； 將一個急停按鈕與（yǔ） X6連接，用來緊急停止整個係統。
表 2 PLC 輸出點的連接（jiē）
輸出點 Y0 用於給控製床鞍和溜板箱縱向移動大手輪的步進電機（jī）驅動器 1 發送高速脈衝； 輸出點Y1 用於給控製中滑板橫向（xiàng）運動（dòng）手柄的步進電（diàn）機驅動器 2 發送高速脈衝。 連接（jiē）到 Y2、Y5 的中間繼（jì）電器分別控製步進驅動器 1 和 2 的（de）通電與斷電。 輸出點Y3、Y6 分別給步進驅動器 1 和 2 發送方向信號，控製步（bù）進電機 1 和 2 正轉。 輸出點 Y4、Y7 則是使步進（jìn）驅動器 1 和 2 脫機。（4）PLC 與步進驅（qū）動（dòng）器、步進電機的連接PLC 與步進驅動器、步進電機的連接如圖（tú） 1 和（hé）圖（tú）2 所。
（5）PLC 與（yǔ）觸摸屏（píng）的通訊（xùn）PLC 與觸摸屏的通訊如表 3 所 示 ，PLC 與（yǔ） 觸摸屏接口類型為 RS-485 4W，通訊端口為 COM1，通訊線：觸摸屏（píng）（公頭（tóu））1、2、3、4、5 對應 PLC（公頭）4、7、1、2、3。
表 3PLC 與觸摸屏的通（tōng）訊
（6）主軸速度和進給運動的控製步進電機通過步進驅動器（qì）來控製，即 PLC 通過步進驅動器來控製步進電機。 具體方法是 PLC 給步進驅動器輸出一個高速脈衝、方向和脫機信號。 因為係統采用的是 64 細分，所以要將（jiāng）步（bù）進驅動器的刻度盤調到（dào） 64 細分。 編碼器則連接到 PLC 的輸入點，利用（yòng）高速計數器記錄下脈衝數，進而通過程序處（chù）理，反映出實時距離。PLC 開機初始化的程序如圖 3 所示。
當給 PLC 上電時，M8002 接通一個掃描周期，係統（tǒng）對（duì） M0~M100，D0~D100，C247~C248 進（jìn）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（tú） 4 高速計數器計數並轉換為距離和清零操作
與縱向軸相連接的編碼器是通過式（1）進行距離轉換，編碼（mǎ）器的軸與齒數為 120 及模數為 0.25 的（de）齒輪相聯。 因此，可以求出齒（chǐ）輪的直徑
如圖 4 所（suǒ）示，當 PLC 開機後，編碼器（qì）轉換程序一直在執（zhí）行，反映出進給移動的實（shí）時距離。編碼（mǎ）器輸出的脈衝用高速計數器計（jì）數。 縱向編碼器的脈衝由高速（sù）計數器 C247 計數， 然後保存在寄存器 D30中，之後乘（chéng）以 9 577，結果保（bǎo）存在 D35 中，最後除以200 000，結果保存在 D39 中。 橫向編碼器的脈衝由高速計數器（qì） C248 計數，然後保（bǎo）存在 D40 中，再除以400，把運（yùn）算結果保存在 D45 中。對高速計數器 C247、C248 的清零，則是在手動（dòng）對（duì）完縱向和橫向刀後進行，確定零（líng）點位置。主軸轉速和方向控製程序如圖 5 所（suǒ）示。
當 M4 接通時，控製主軸正轉；當 M8 接通時，控製主軸反轉；當 M6 接通時，停止主軸轉動。 同時正（zhèng）轉和反轉設計了互（hù）鎖，即正、反轉之間的（de）切換，必（bì）須要停止主（zhǔ）軸，從而保護了主軸電動機。縱向進給速度、進給量（liàng）和方向控製如圖 6 所示。
圖 6縱向進給速度、進給量和方向控製
當線圈（quān） M23 接通時，線圈 Y2 通電，給步進（jìn）驅動（dòng）器 1 上電；當線圈 M24 接通時，則步進驅動器 1 斷（duàn）電。 當 M25 接通時，線圈 Y4 通電，給步進驅動器 1發送脫機信號（hào）。 M26 和 M27 是手動分別控製（zhì）步進電機的正反轉，即前進或後退。 當 M28 接通時，自動控製步進電機正轉；當（dāng） M29 接通時，自動控製步進電機（jī）反轉。 當 M27 或 M29 接通時，切斷步進（jìn）驅動器方向信（xìn）號 Y3， 進而控製步進電機反轉。 當 M28 或M29 接通時，M30 自鎖，給步進（jìn）驅動器輸（shū）出脈（mò）衝。 其中 D0 和 D4 的值可以根據需要進（jìn）行改變，分別改變進給縱向的進給速度和進給量。橫向進給速度、進（jìn）給量和方向控（kòng）製的程序如圖7 所示。
圖 7橫向進給速度、進給量和（hé）方向控製
當線圈 M34 接通時，給步進驅動器上（shàng）電；當線圈 M36 接通時，則斷電（diàn）。 當 M38 接通時，給步進驅動器（qì） 2 發送脫機（jī）信號 Y7。 M40 和 M42 是手動分別控製步進（jìn）電機的正反（fǎn）轉，即前進或（huò）後退（tuì）。 當 M43 接通時（shí），自動控製步進電（diàn）機正（zhèng）轉；當 M44 接通時，自動（dòng）控製步進電機反（fǎn）轉。 當（dāng） M42 和 M44 接通時，切斷步進驅動器（qì）方向信號 Y6，進而控製步進電機（jī）反（fǎn）轉。 當M43 和 M44 接通時，M46 自（zì）鎖， 給步（bù）進驅動器輸出脈衝（chōng）。其中 D8 和 D12 的值可以（yǐ）根據需要進行改變（biàn），分別改變進給橫向運動的轉動速度和進給量。進（jìn）給運動的速度和進給量轉換（huàn）如圖 8 所示。
圖 8 進給運動的速度和進（jìn）給量轉換
當 M52 接通時，將（jiāng）速度值 D60 根據式（1）轉換為頻率保存在 D0 中；將進給量 D70 根（gēn）據式（2）轉換為轉動的圈（quān）數後， 再轉變為脈衝數保存在 D4。 當M54 接 通時 ，將速度值 D75 根 據式 （1）轉 換為頻率保存在 D8 中；將進給量（liàng） D85 根據式（shì）（2）轉換為轉動的圈數後，再轉變為脈衝數保存在（zài） D12。進給運動的橫向與縱向運動的控製如（rú）圖 9 所示（shì）。9圖 9進給運動的橫向與縱（zòng）向運動（dòng）控（kòng）製當M60 接通時，M62 自鎖，開始橫向運動；當所走距離值 D35 與所設距離值 D90 相等時，M64 接通，開始縱向運動；當所走距離值 D45 與所設距離（lí）值 D95 相等（děng）時，複位（wèi） M62，即停（tíng）止運動。當 M66 接通（tōng）時，M68 自鎖，開始縱向運（yùn）動；當所走距離值 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（jù）離值 D90 等時，複位（wèi）M68，即停止運（yùn）動。 當 M72 接 通時（shí） ，M74 自 鎖 ，橫向和縱向運動同時進行，當所走距離值與所設距離值相等時，複位 M74，即停止運動。
2.結語
本設計從電氣控製方案、元器件選（xuǎn）型及機加工係統現場（chǎng）環境等因素綜合（hé）考慮，對（duì） CA6140 車床的進給運動進行了電氣化改造，改造後的該設（shè）備控製（zhì）電路簡單，穩定（dìng）性和可靠性也增強，操作方便，實現了進（jìn）給係統的（de）自動化控製，進而提高了加工精度。
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