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基於 PLC 的數控機床刀架控製係統改造

2021-7-16 來源：長江工程職業技術學院作者：康永澤

摘要：本文擬就 FANUC 0i-F 數控實訓台中四方位回轉刀架，通過外部三菱（líng） PLC 的控製，介紹（shào）刀架（jià）的（de）工作原（yuán）理，同時也可提高工程技術人員排除或維護刀架水平，降低（dī）故障排除時（shí）間。

關鍵詞：PLC；電動刀（dāo）架；主軸（zhóu）

1、問題的提出

數控車床上使用的回轉刀架（jià）是一種較為簡單的自動換刀裝置，也是數控車床重要的組成部分，其應用了自動控製、傳感檢測等方麵的最新技術，是典型的機電一體化產品。合理選（xuǎn）配電動刀架，並正確地實施（shī）控製，能夠縮短故（gù）障排除時間，有效地提高生產效率。

根據（jù）不同加工對象，自動回轉刀架（jià）有四方刀架和（hé）六角刀架（jià）等多種形式。回轉刀架上（shàng）分別（bié）安裝著四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置的指令（lìng）換刀。回轉刀架在結構上具有良好的強度和剛（gāng）性，以承受粗加工時的切削抗力。目前刀架的控製，都是由 CNC 內置 PLC 或（huò）固化 IO 控製完成，工程技術人員（yuán）理解刀架的控製比較困（kùn）難，本文擬就FANUC 0i-TF 數控實訓台中四（sì）方位回轉刀架，通過外部三菱（líng） PLC 的控製，介紹刀架的工作原（yuán）理，同時也可提高（gāo）工程技術人員排除或維護（hù）刀架水平，降低故（gù）障排除時間。

數控車床回轉刀架動作的要求（qiú）是：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和夾（jiá）緊刀架。為完成（chéng）上述動作要求，要有相應的機構來實現。

2 、刀（dāo）架的控製（zhì）

2.1 自動刀架工（gōng）作原理

①刀架電動機（jī）正轉（zhuǎn），刀架抬起。正轉時，電動機回轉運（yùn）動（dòng）通過蝸杆蝸輪機構，轉化（huà）為直線運動，刀架體向上移動。即刀架電動機正轉（zhuǎn）時，通（tōng）過（guò）蝸杆和蝸輪機構將驅動傳給絲杠，絲杠軸頭（tóu）固定裝有刀架轉位定位銷盤，刀架體內孔加（jiā）工（gōng）有內螺紋，隨著絲杠轉動，刀架體內彈簧定（dìng）位銷入位，刀（dāo）架體（tǐ）向上移動，刀架向上（shàng）抬起。當刀架體升至一定距離後，刀架體上（shàng）的（de）端（duān）麵齒和刀架（jià）底座（zuò）上的端麵齒脫開。當齧合齒脫開後，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠螺母轉動進行（háng）換刀。隨著刀架的轉動，刀架體內刀位定位銷退（tuì）出。

②刀架電動機正轉尋位。刀架（jià）正轉進行尋位換刀，PLC 采集霍爾傳感器信號（hào），與選定刀號比對，若傳感器信（xìn）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（dāo）架鎖緊。到（dào）達指定刀位時，刀架電動（dòng）機（jī）停止正轉，反向鎖緊，完成整個換刀的過程。

2.2 四方電動刀架的控製

四方電動刀架電動機（jī）在電氣控製設計時要正、反轉互（hù）鎖，電（diàn）器元（yuán）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（háng）判斷。刀架電動機在（zài）換刀時必須先正轉後反（fǎn）轉，這是由四方電（diàn）動（dòng）刀架機械結構（gòu）所決定（dìng）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問題，或霍爾元件（jiàn）損壞、刀（dāo）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（cuò）處理程序，提醒操作人員進行檢修。電動刀架控製原理（lǐ）圖見圖 1，接（jiē）線圖見圖 2。

圖 1 電動刀架 PLC 控製原理圖

圖 2 電動刀架 PLC 控製接線（xiàn）圖

3、主軸的控製

在實訓台改造過程（chéng）中，我們充分利用現（xiàn）有設備，綜合考慮學生實際，采用變頻器實現對主軸（zhóu）的調速控製（zhì）。變頻器連接（jiē）示（shì）意圖見圖 3。

圖 3 變頻器與（yǔ）電動機連接示意圖

主軸電動機（jī）采用（yòng）西門子 MM420 變頻器進行調速控（kòng）製（zhì），MM420 係列有著高性能的（de） V/f 控製性能，可提供低速高轉矩輸出（chū）和良好的動態特性，同時具（jù）有很（hěn）強的過載能力，以滿足多種應用場合。使用變頻器（qì）前，須先熟悉變頻器的操作麵板，再根據實際應用場景，對變頻器的各種功能參數進（jìn）行（háng）設（shè）置。

電機正反轉的（de）控製（zhì）方式可以有二種，一種是麵板控製（zhì），一種（zhǒng）是（shì）開關量端（duān）子控（kòng）製，兩種控製方式不同，參數設置也不同。參數設（shè）置時應先恢複出廠值，再設（shè）電機參數。

麵板控製法（fǎ）主要（yào）參數設置：設 p1000 設為 2，開關量端子不接線，由變頻器麵板控製電機的正反（fǎn）轉。

開（kāi）關量端子控製主要參數設置：變頻器 5、6、7、8 為開關量端子。設（shè） p1000 設為 2，開關量端子（zǐ） 5 接正轉控製（zhì）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（zhèng）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。後期根據學生的掌握情況，利用PLC 拓展為多段速控（kòng）製。變頻器 MM420 主要參數設置如表 1 所示。

表 1 變頻（pín）器 MM420 主要參數設置表（biǎo）

注意事項：

①接線（xiàn）後一定要參考手冊，認真複查，以防接線錯誤（wù）而燒壞變頻器，尤（yóu）其是主電源線路；

②在接線時，擰緊變（biàn）頻器內部力不要過大，以防損（sǔn）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（ràng）變頻器（qì）充分放電，LED 全部熄滅才能（néng）打開蓋（gài）板，等待 5min 以上；

④在輸入變頻（pín）器參數時，一定要確（què）認，以免發生錯誤；

⑤由於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，根據電機功率和工作環境調（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（sù）度和正、反向點（diǎn）動運行速度。另（lìng）外，為了檢測主軸電動機的（de）轉速，可采用編碼器，其接線為圖 4 所示。

圖 4 旋（xuán）轉編碼（mǎ）器與（yǔ） PLC 的接線圖

PLC 通過高速計數器采集來（lái）自旋轉編碼器（qì）的（de）信號，由程序計算主軸電動機的轉速，從而實現對主軸電動機轉速的精確控製。

4、 PLC 控製程序

①刀架正反轉控製梯形圖如圖 5。

圖5 刀架正反轉控製梯形圖（tú）

②當（dāng）前刀號（hào）判定如圖 6。

圖 6 刀號（hào）判定梯形（xíng）圖

③手動選刀控製如圖 7。

圖（tú） 7 手動選刀梯形（xíng）圖

④主軸速度檢測。主軸（zhóu）速（sù）度檢測采用 ZSW610-01C-1200BZ/05L 型（xíng）旋轉編碼器。利用PLC 的 X0、X1 端子，采集旋轉編碼器 A、B 兩相高速脈衝（chōng）數，通過浮點計算，可以較（jiào）為精確地計算出 FANUC 0I-TF 數控車床裝調係統主軸速度。

⑤觸摸屏控製。本係統改造裝置（zhì），選用昆侖通泰 MCGSTPC1061Ti 觸摸屏，方便學生操作，更加緊（jǐn）密聯係實踐應（yīng）用，其畫麵示意圖（tú）見圖 8。

圖 8 觸摸屏畫麵示意圖

5、結束語

通過對實訓裝（zhuāng）置的改造，將其內置 PLC 控製係統剝離，學生在（zài）實訓中能（néng）靈活控製刀（dāo）架的運動，改造後（hòu）的裝置，功能多樣化，可以有（yǒu）效鍛煉學生電氣選型接線、PLC 編程思維等綜合能力，對於機電一體化及相關專業（yè）的學（xué）生（shēng），通（tōng）過訓練，技術技能得到顯著提升。

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