數(shù)控車床刀塔電氣控制分析
2018-5-7 來(lái)源：山西永濟(jì)電機(jī)高級(jí)技工學(xué)校山西永濟(jì)電機(jī)高級(jí) 作者：趙彩賢
摘要：本文通過(guò)對(duì)fanuc系統(tǒng)數(shù)控車床刀塔控制的研究，深入分析刀塔PLC控制程序、電氣原理，為自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)及設(shè)備維修提供參考。
關(guān)鍵詞：PLC 程序； 電氣設(shè)計(jì)；數(shù)控刀塔；FANUC數(shù)控系統(tǒng)；控制
一、引言
山西永濟(jì)電機(jī)高級(jí)技工學(xué)校有多臺(tái)數(shù)控車床，是學(xué)生實(shí)習(xí)、員工培訓(xùn)經(jīng)常使用的設(shè)備。數(shù)控車床為沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)，設(shè)備型號(hào)為 CK6112，配置 FANUC0 數(shù)控系統(tǒng)，換刀采用PLC 控制的刀塔。刀塔是數(shù)控車床重要組成部分，此車床刀塔采用電氣結(jié)合液壓控制換刀，通過(guò) PLC 對(duì)控制刀架的所有I/O信號(hào)進(jìn)行邏輯處理及計(jì)算，實(shí)現(xiàn)刀塔的換刀控制。另外為了保證換刀能夠正確進(jìn)行，系統(tǒng)設(shè)置一些相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來(lái)對(duì)換刀過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。
二、PLC及梯形圖概念
PLC是機(jī)床換刀過(guò)程的控制中心，是實(shí)現(xiàn)順利換刀的關(guān)鍵器件。可編程序控制器即 PLC 是 20 世紀(jì) 60 年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型自動(dòng)化控制裝置。最早用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)以及順序控制等，而且只能進(jìn)行開關(guān)量控制。近年來(lái)，PLC 把計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，發(fā)展成新型的工業(yè)控制器，其控制功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)邏輯控制的功能。
國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)PLC定義為：可編程序控制器是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。
梯形圖簡(jiǎn)稱 LAD，是 PLC 使用較多的圖形編程語(yǔ)言，梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變而來(lái)，具有形象、直觀、實(shí)用等特點(diǎn)，技術(shù)人員容易接受，目前運(yùn)用較多。
在 PLC 梯形圖中，左右母線類似于繼電器電路的電源線，輸出線圈類似于負(fù)載，輸入點(diǎn)類似于按鈕，梯形圖由若干邏輯行構(gòu)成，自上而下排列，每個(gè)邏輯行起于左邊母線，經(jīng)過(guò)觸點(diǎn)與線圈，止于右母線。
三、刀塔電氣控制
刀塔電氣控制部分如圖一所示。圖中的a是刀塔控制的主回路部分，主要是控制刀塔電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，刀塔電機(jī)通過(guò)同步帶聯(lián)接來(lái)控制刀塔的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；圖b是刀塔控制的交流控制回路，主要是控制兩個(gè)交流接觸器線圈的得電和失電來(lái)實(shí)現(xiàn) a 中的主回路控制；圖c部分是刀塔控制的繼電器控制回路及 PLC 的輸入及輸出回路，整個(gè)過(guò)程的控制最終是由這三部分來(lái)完成的。
圖一中各器件的作用如下：
Y0.5：刀塔反轉(zhuǎn)繼電器控制輸出。
四、換刀的工作過(guò)程
根據(jù)電路回路圖簡(jiǎn)析：假設(shè) PLC 輸入/輸出電路中輸入 1 號(hào)刀同時(shí)選擇手動(dòng)方式（JOG)選擇。這時(shí)，按下手動(dòng)換刀啟動(dòng)按鈕SB6，KA3線圈得電，KA3常閉觸點(diǎn)斷開實(shí)現(xiàn)互鎖。接觸器回路中的 KA3 觸點(diǎn)導(dǎo)通（KA1 始終處于閉合狀態(tài)），KM5 線圈得電，KM5 常閉觸點(diǎn)斷開實(shí)現(xiàn)雙重互鎖。刀塔正轉(zhuǎn)接觸器回路導(dǎo)通，在主回路總的KM5觸點(diǎn)閉合刀塔正轉(zhuǎn)。當(dāng)接近元件檢測(cè)到 1 號(hào)刀的到位信號(hào)時(shí)，刀塔開始定位，電機(jī)停轉(zhuǎn)，液壓缸拉緊鎖緊，鎖緊信號(hào)檢測(cè)到后，換刀結(jié)束。其他刀號(hào)換刀方式依次類推。具體換刀過(guò)程步驟如下：刀塔抬起：當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 刀塔通過(guò)電氣控制電磁閥得電，電磁閥控制液壓缸頂起刀塔，刀塔中心的鼠齒盤分離。
刀塔旋轉(zhuǎn)：刀塔頂起檢測(cè)的接近開關(guān)檢測(cè)到刀塔頂起到位后，通過(guò)接口電路使電機(jī)正轉(zhuǎn), 經(jīng)傳動(dòng)裝置，刀塔電機(jī)旋轉(zhuǎn)。
刀塔定位：當(dāng)?shù)端D(zhuǎn)到需要的刀號(hào)，對(duì)應(yīng)刀號(hào)的接近開關(guān)給數(shù)控裝置反饋換刀號(hào)到位檢測(cè)指令，刀塔電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。刀塔鎖緊：刀塔電機(jī)停止在需要的刀號(hào)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出鎖緊信號(hào)，電磁閥得電，刀塔向下拉緊，鼠齒盤結(jié)合，鎖緊檢測(cè)接近開關(guān)檢測(cè)到鎖緊到位后，換刀完成。
換到過(guò)程流程圖
五、PLC換刀梯形圖
刀塔換刀過(guò)程選刀部分梯形圖
PLC控制數(shù)控車床的刀塔，主要是對(duì)刀塔的換刀進(jìn)行自動(dòng)控制。隨著電氣技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC 控制提高了生產(chǎn)工藝，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，較強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力，使用簡(jiǎn)單維護(hù)方便。程序的編制充分考慮操作指令和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，整個(gè)操作變得比較簡(jiǎn)單，機(jī)床工作的旋轉(zhuǎn)、變擋、調(diào)速，進(jìn)給、快速移動(dòng)控制，相互的連鎖保護(hù)和顯示等功能均由PLC完成。
PLC 程序分析：
第一，手動(dòng)換刀。 首先將操作面板模式選擇打到手動(dòng)（JOG）模式，刀號(hào)對(duì)應(yīng)波段開關(guān)打至需要更換刀號(hào)位置，再按刀庫(kù)手動(dòng)換刀啟動(dòng)按鍵進(jìn)行換刀 。 按下手動(dòng)換刀信號(hào)X5.4,Y0.4輸出，接通刀塔正轉(zhuǎn)繼電器。刀塔電機(jī)正轉(zhuǎn)找刀。找到目標(biāo)刀位后，刀塔電機(jī)繼電器失電。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，刀塔下降，鎖緊，手動(dòng)換刀結(jié)束。
第二，自動(dòng)換刀。首先把模式選擇打到手動(dòng)資料輸入（MDI)模式，在按下 MDI 單元程序功能鍵 PROG 輸入所需的目標(biāo)刀號(hào)（如：T0303），按功能鍵 EOB，接著按功能鍵 INSERT，最后按循環(huán)啟動(dòng)鍵，此時(shí) F7.3導(dǎo)通，通過(guò)位置檢測(cè)接近開關(guān)把當(dāng)前刀位的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳送指令和二進(jìn)制轉(zhuǎn)換指令轉(zhuǎn)換為實(shí)際刀位號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出換刀指令T0303 時(shí)，F(xiàn)7.3 導(dǎo)通，當(dāng)前刀位號(hào)會(huì)與目的寄存器的刀位號(hào)相比較，如果一致，程序跳轉(zhuǎn)，換刀結(jié)束。如果刀位號(hào)不一致，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)找刀，找到目標(biāo)刀位后，刀塔下降，鎖緊，刀塔鎖緊后，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束。
六、結(jié)束語(yǔ)
本次分析的這臺(tái)數(shù)控車床的換刀過(guò)程，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC 程序控制，刀架能快速的完成抬起、正轉(zhuǎn)、選位、鎖緊等一系列的動(dòng)作，有效地實(shí)現(xiàn)了換刀。此換刀模式是目前主流的數(shù)控車床換刀形式。數(shù)控刀塔可以在保持原車床工件最大回轉(zhuǎn)直徑的條件下，提供選多把刀的可能性，且通用性好。刀塔的運(yùn)行效率高，并穩(wěn)定可靠。通過(guò)這次的分析研究，對(duì)FANUC系統(tǒng)有了更新的認(rèn)識(shí)，對(duì)數(shù)控車床的專業(yè)知識(shí)的掌握程度及運(yùn)用能力也有了更大的提高，同時(shí)也加深了數(shù)控專業(yè)知識(shí)的掌握程度。
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