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基於 PLC 與 GOT 的 CA6140 臥式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者：喬東凱，趙晶英，陳軍，廖輝

摘要： 闡述了 CA6140 臥式車床控製的（de）原（yuán）理與存在的問題，並細述了采用可編程控製器、觸摸屏、編碼器（qì）、步進驅動器和步進電機對 CA6140 臥式車床的進給運動自動控製的具體方法（fǎ），從而實現了該車床智能化控製的目的。實踐（jiàn）證明該方法經（jīng）濟實效，對其他類（lèi）型（xíng）的機床或電氣設備的改造具有借鑒和指導意義。

關鍵詞： 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，要改變刀架的移動轉速，必須在刀架停止的情況下進行，速度轉（zhuǎn）換時要轉動手柄，操作不便。有（yǒu）時需要頻繁地更換其主軸（zhóu）轉速，加（jiā）快了齒輪之間的磨損，導致轉速達不到要求。此外，齒輪（lún）在工作（zuò）時，出現噪聲大（dà），啟動、傳（chuán）動不平穩，換速時衝擊力大等問題。進給運動的進給量（liàng）是（shì）通過手輪（lún）來控（kòng）製的，會出現（xiàn）手輪轉動後，存在（zài）一小段距離，刀架沒有移動，導致加工出現誤差。

1 調（diào）速改造方案的確定

未改造前，進給運動的轉（zhuǎn）速是由轉動手柄在不同（tóng）擋（dǎng）位來（lái）控製，即改變齒（chǐ）輪之間的齧合，其進給量則由手輪控製。機床（chuáng）改造後，用步進電機代替溜板（bǎn）箱縱向移動的大手輪（lún）和控製中滑板（bǎn）橫向（xiàng）運動的小手（shǒu）輪，並通過編（biān）碼器實時反映距離，采用觸摸（mō）屏和 LC技術控製進給運動（dòng）的進給量和進給速度。（1）調速原理（lǐ）步進電機的轉速

由式（1）可知（zhī），改（gǎi）變步進電機的頻率就可以調節進給速度，並且其頻率可在一定範圍內變化，所以轉速調（diào）節範圍寬。步進電機的轉動圈數（shù）

由式（2）可知，改變步進電（diàn）機的脈衝數可以改變步進電機轉動的圈數，進而改變移動的距離。（2）PLC、步（bù）進電機、步進驅動器、觸摸屏（píng）和編（biān）碼器的選擇根據實際情況（kuàng），係統需要（yào）控（kòng）製 2 個步進電機，即PLC 需要 2 個高速脈衝輸出，為方便操作和保證係統的可見性，係統配備有觸摸屏，故所需 PLC 的點數較少，且要連接（jiē）編碼器，需要晶體管輸出，最終選擇型號（hào）為 FX3U－32MT 的三菱 PLC。由於代替手輪和手柄轉動的步進電機不需要太（tài）大力矩，選（xuǎn）擇步進電機 57BYG250B -SAFRMC －0152，其保持轉（zhuǎn）矩為0.7 Nm，步（bù）距角（jiǎo）是 1.8°，相數（shù）為 2 相。相應地選擇步（bù）進驅動器為 SH-20402A。編碼器選擇型號為E6B2 -CWZ5B，觸摸屏選擇（zé）性價（jià）比較（jiào）高的型號為MT8104X 的威綸（lún）觸摸屏。（3）PLC 輸入、輸出點的連接PLC 輸入（rù）點、輸出點（diǎn）的（de）連接如表（biǎo） 1、表 2 所（suǒ）示（shì）。

表（biǎo） 1PLC 輸入點的連接

編碼器 1（與大手（shǒu）輪連接）的脈衝與方向端分別與 X0、X1 連接；編碼器 2（與小手（shǒu）輪連接）的脈衝與方向端分別與 X3、X4 連接；將一（yī）個急停按鈕與 X6連接，用（yòng）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驅動器 1 發送高速脈衝；輸出點Y1 用於給（gěi）控製（zhì）中（zhōng）滑（huá）板橫向運動手柄的步進電機驅動器 2 發（fā）送高速脈衝。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。輸出點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 2 脫機。（4）PLC 與步進驅動器、步進電機的連接PLC 與步進驅動器、步進電機的連接（jiē）如圖 1 和（hé）圖2 所。

（5）PLC 與觸摸屏的通訊PLC 與觸摸屏的通訊如表 3 所示，PLC 與觸摸屏接口類（lèi）型為 RS-485 4W，通（tōng）訊端（duān）口為 COM1，通訊線：觸摸屏（公頭）1、2、3、4、5 對應 PLC（公頭）4、7、1、2、3。

表 3PLC 與觸摸屏的通訊

（6）主（zhǔ）軸速度和進給運動的控製步（bù）進電機通過步進驅動器來控製，即 PLC 通過步進驅（qū）動器來控製步進電機（jī）。具體方法是 PLC 給步進驅動（dòng）器輸出一個高速脈衝、方向和脫機信號。因為（wéi）係統采用的是 64 細分，所以要將步進驅動（dòng）器的刻度盤調到 64 細分。編碼器則連接到 PLC 的輸入（rù）點，利用高速計數器記錄下脈衝數，進而通過程序處理，反（fǎn）映出實時距離。PLC 開機初（chū）始化的程序如圖 3 所示。

當給 PLC 上電時（shí），M8002 接通一個掃描周期，係統對 M0~M100，D0~D100，C247~C248 進行清（qīng）零。高速計數器計數並轉換為距離（lí）和清零操作（zuò）程序如圖 4 所示。

圖（tú） 4 高速計數器計數並轉（zhuǎn）換為距離和清零操作

與縱向軸相連接的（de）編碼器是通過式（1）進行距離轉換，編碼器的軸與齒（chǐ）數為 120 及模數為 0.25 的齒（chǐ）輪相聯。因此，可以求出齒輪的直徑

如圖 4 所示，當 PLC 開機後，編碼器轉換程序（xù）一（yī）直在執行，反映出進給移動的實時距離。編碼器輸出的脈衝用高（gāo）速計（jì）數器計（jì）數。縱向編（biān）碼（mǎ）器的（de）脈（mò）衝由高速（sù）計（jì）數器 C247 計數，然後保存在寄存器 D30中，之後乘以 9 577，結果保存在 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 C248 計數，然後保存在 D40 中，再除（chú）以400，把運算結果保存（cún）在 D45 中。對高（gāo）速計數（shù）器 C247、C248 的清零，則是在手動對完縱向和橫向刀後進行（háng），確定零點（diǎn）位（wèi）置。主軸轉速和方向控製程（chéng）序如圖 5 所示（shì）。

當 M4 接通時，控製（zhì）主軸正轉；當 M8 接（jiē）通時，控製主軸反轉；當 M6 接通時，停止主軸轉（zhuǎn）動。同時正轉和（hé）反轉設計了互（hù）鎖，即（jí）正、反轉之間的切換（huàn），必須要停止主軸，從而（ér）保護（hù）了主軸電動機。縱向進給速度、進給量（liàng）和方向（xiàng）控製如圖 6 所示。

圖 6縱向進（jìn）給速度、進給量和方向（xiàng）控製

當（dāng）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 M25 接通時（shí），線圈 Y4 通電，給（gěi）步進驅動器 1發送脫機信（xìn）號。 M26 和 M27 是手動分別控製步進電機的（de）正反轉，即前進或後退。當 M28 接通時，自動控製步（bù）進電機正轉（zhuǎn）；當（dāng） M29 接通時，自動（dòng）控製步進電（diàn）機反轉。當（dāng） M27 或 M29 接（jiē）通（tōng）時，切斷步進驅動器方向信（xìn）號 Y3，進而控製步進電機反轉。當 M28 或M29 接通時，M30 自鎖，給步進驅動器輸出脈衝。其中（zhōng） D0 和 D4 的值可（kě）以根據需要進（jìn）行改變（biàn），分別（bié）改變進給縱向的進給（gěi）速度和進給量。橫向進給速度、進給量和方向控（kòng）製的程序如圖7 所示。

圖 7橫向進給速度（dù）、進給量和方（fāng）向控製

當線圈 M34 接通（tōng）時，給步進驅動器上電；當線圈 M36 接通時（shí），則斷電（diàn）。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（shǒu）動分別控製步進電機的正反轉，即前進或後退。當 M43 接通時（shí），自動控製步進電機正轉；當 M44 接通時，自動控製（zhì）步進電機反轉。當 M42 和 M44 接通時（shí），切斷步進驅動器方向信號 Y6，進（jìn）而控製步進電機反轉。當M43 和 M44 接（jiē）通時，M46 自鎖（suǒ），給步進驅動器輸出（chū）脈衝。其中 D8 和 D12 的（de）值可（kě）以根據（jù）需要進行改變，分（fèn）別改變進給橫向運動的轉動速度和（hé）進給（gěi）量。進給運動的速度和進給量轉換如圖（tú） 8 所示。

圖 8 進給運動的速度和進給量（liàng）轉（zhuǎn）換

當 M52 接通時，將速度（dù）值 D60 根據式（1）轉換為頻率保存在 D0 中；將進給量（liàng） D70 根據式（2）轉換為轉動（dòng）的圈數後，再轉變（biàn）為脈衝（chōng）數保存在 D4。當M54 接通時，將速度值 D75 根據式（1）轉（zhuǎn）換為頻（pín）率（lǜ）保存在 D8 中；將進（jìn）給量 D85 根據式（2）轉換為轉動的圈數後，再轉變為脈衝數保存在 D12。進給運動的橫向與縱向運動的控製如圖 9 所示。9圖 9進給運動的橫向與縱向運動控製（zhì）當M60 接通時，M62 自鎖，開始橫向運（yùn）動（dòng）；當所走距離值 D35 與所設距離值 D90 相等時，M64 接通，開始（shǐ）縱向運動；當所走距離值 D45 與所設距離（lí）值 D95 相等時，複位 M62，即停止運動。當 M66 接通時，M68 自（zì）鎖（suǒ），開始縱向（xiàng）運動（dòng）；當所走距離值（zhí） D45 與所設距離值 D95 相等時（shí），M70 接通，開始橫向運動。當所走（zǒu）距離值 D35 與所設距離值 D90 等（děng）時，複位M68，即停止運動（dòng）。當 M72 接通時，M74 自鎖（suǒ），橫向（xiàng）和縱向運動同時進行，當所走距（jù）離值與所設距（jù）離值相等時，複位 M74，即停止（zhǐ）運動。

2.結語

本設計從電氣控製方案（àn）、元器件（jiàn）選型及機加工係統現場環境等因素綜合考慮，對 CA6140 車床的進給運動進（jìn）行了電氣化改造，改造後的該（gāi）設備（bèi）控製電路簡單，穩定（dìng）性和可（kě）靠（kào）性也增強，操作方便，實現了進給係統（tǒng）的自動（dòng）化控製，進而提高了加工精度。

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