基于 PLC 與 GOT 的 CA6140 臥式車床進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)
2017-7-10 來源：廣東石油化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 作者：喬?hào)|凱， 趙晶英， 陳 軍， 廖 輝
摘要： 闡述了 CA6140 臥式車床控制的原理與存在的問題，并細(xì)述了采用可編程控制器、觸摸屏、編碼器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)對(duì) CA6140 臥式車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制的具體方法，從而實(shí)現(xiàn)了該車床智能化控制的目的。 實(shí)踐證明該方法經(jīng)濟(jì)實(shí)效，對(duì)其他類型的機(jī)床或電氣設(shè)備的改造具有借鑒和指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞： 可編程控制器； 觸摸屏； 車床； 編碼器； 步進(jìn)電機(jī)
0.引言
CA6140 臥式車床進(jìn)給的轉(zhuǎn)速控制是通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄來控制，要改變刀架的移動(dòng)轉(zhuǎn)速，必須在刀架停止的情況下進(jìn)行，速度轉(zhuǎn)換時(shí)要轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，操作不便。 有時(shí)需要頻繁地更換其主軸轉(zhuǎn)速，加快了齒輪之間的磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求。 此外，齒輪在工作時(shí)，出現(xiàn)噪聲大，啟動(dòng)、傳動(dòng)不平穩(wěn)，換速時(shí)沖擊力大等問題。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給量是通過手輪來控制的，會(huì)出現(xiàn)手輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，存在一小段距離，刀架沒有移動(dòng)，導(dǎo)致加工出現(xiàn)誤差。
1 調(diào)速改造方案的確定
未改造前，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速是由轉(zhuǎn)動(dòng)手柄在不同擋位來控制，即改變齒輪之間的嚙合，其進(jìn)給量則由手輪控制。 機(jī)床改造后，用步進(jìn)電機(jī)代替溜板箱縱向移動(dòng)的大手輪和控制中滑板橫向運(yùn)動(dòng)的小手輪，并通過編碼器實(shí)時(shí)反映距離，采用觸摸屏和 LC技術(shù)控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給量和進(jìn)給速度。（1）調(diào)速原理步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速
由式（1）可知，改變步進(jìn)電機(jī)的頻率就可以調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，并且其頻率可在一定范圍內(nèi)變化，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)
由式（2）可知，改變步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)可以改變步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，進(jìn)而改變移動(dòng)的距離。（2）PLC、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏和編碼器的選擇根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)需要控制 2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)，即PLC 需要 2 個(gè)高速脈沖輸出， 為方便操作和保證系統(tǒng)的可見性，系統(tǒng)配備有觸摸屏，故所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)較少，且要連接編碼器，需要晶體管輸出，最終選擇型號(hào)為 FX3U－32MT 的三菱 PLC。 由于代替手輪和手柄轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)不需要太大力矩，選擇步進(jìn)電 機(jī) 57BYG250B -SAFRMC －0152， 其保持轉(zhuǎn)矩為0.7 Nm，步距角是 1.8°，相數(shù)為 2 相。 相應(yīng)地選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器為 SH-20402A。 編碼 器選擇型號(hào)為E6B2 -CWZ5B， 觸摸屏選擇性價(jià)比較高的型號(hào)為MT8104X 的威綸觸摸屏。（3）PLC 輸入、輸出點(diǎn)的連接PLC 輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)的連接如表 1、表 2 所示。
表 1PLC 輸入點(diǎn)的連接
編碼器 1（與大手輪連接）的脈沖與方向端分別與 X0、X1 連接；編碼器 2（與小手輪連接）的脈沖與方向端分別與 X3、X4 連接； 將一個(gè)急停按鈕與 X6連接，用來緊急停止整個(gè)系統(tǒng)。
表 2 PLC 輸出點(diǎn)的連接
輸出點(diǎn) Y0 用于給控制床鞍和溜板箱縱向移動(dòng)大手輪的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 發(fā)送高速脈沖； 輸出點(diǎn)Y1 用于給控制中滑板橫向運(yùn)動(dòng)手柄的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 2 發(fā)送高速脈沖。 連接到 Y2、Y5 的中間繼電器分別控制步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 1 和 2 的通電與斷電。 輸出點(diǎn)Y3、Y6 分別給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 1 和 2 發(fā)送方向信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī) 1 和 2 正轉(zhuǎn)。 輸出點(diǎn) Y4、Y7 則是使步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 1 和 2 脫機(jī)。（4）PLC 與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)的連接PLC 與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)的連接如圖 1 和圖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 觸摸屏接口類型為 RS-485 4W，通訊端口為 COM1，通訊線：觸摸屏（公頭）1、2、3、4、5 對(duì)應(yīng) PLC（公頭）4、7、1、2、3。
表 3PLC 與觸摸屏的通訊
（6）主軸速度和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來控制，即 PLC 通過步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)。 具體方法是 PLC 給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)高速脈沖、方向和脫機(jī)信號(hào)。 因?yàn)橄到y(tǒng)采用的是 64 細(xì)分，所以要將步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的刻度盤調(diào)到 64 細(xì)分。 編碼器則連接到 PLC 的輸入點(diǎn)，利用高速計(jì)數(shù)器記錄下脈沖數(shù)，進(jìn)而通過程序處理，反映出實(shí)時(shí)距離。PLC 開機(jī)初始化的程序如圖 3 所示。
當(dāng)給 PLC 上電時(shí)，M8002 接通一個(gè)掃描周期，系統(tǒng)對(duì) M0~M100，D0~D100，C247~C248 進(jìn)行清零。高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)換為距離和清零操作程序如圖 4 所示。
圖 4 高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并轉(zhuǎn)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(jìn)行距離轉(zhuǎn)換，編碼器的軸與齒數(shù)為 120 及模數(shù)為 0.25 的齒輪相聯(lián)。 因此，可以求出齒輪的直徑
如圖 4 所示，當(dāng) PLC 開機(jī)后，編碼器轉(zhuǎn)換程序一直在執(zhí)行，反映出進(jìn)給移動(dòng)的實(shí)時(shí)距離。編碼器輸出的脈沖用高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 縱向編碼器的脈沖由高速計(jì)數(shù)器 C247 計(jì)數(shù)， 然后保存在寄存器 D30中，之后乘以 9 577，結(jié)果保存在 D35 中，最后除以200 000，結(jié)果保存在 D39 中。 橫向編碼器的脈沖由高速計(jì)數(shù)器 C248 計(jì)數(shù)，然后保存在 D40 中，再除以400，把運(yùn)算結(jié)果保存在 D45 中。對(duì)高速計(jì)數(shù)器 C247、C248 的清零，則是在手動(dòng)對(duì)完縱向和橫向刀后進(jìn)行，確定零點(diǎn)位置。主軸轉(zhuǎn)速和方向控制程序如圖 5 所示。
當(dāng) M4 接通時(shí)，控制主軸正轉(zhuǎn)；當(dāng) M8 接通時(shí)，控制主軸反轉(zhuǎn)；當(dāng) M6 接通時(shí)，停止主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 同時(shí)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)了互鎖，即正、反轉(zhuǎn)之間的切換，必須要停止主軸，從而保護(hù)了主軸電動(dòng)機(jī)。縱向進(jìn)給速度、進(jìn)給量和方向控制如圖 6 所示。
圖 6縱向進(jìn)給速度、進(jìn)給量和方向控制
當(dāng)線圈 M23 接通時(shí)，線圈 Y2 通電，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 1 上電；當(dāng)線圈 M24 接通時(shí)，則步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 1 斷電。 當(dāng) M25 接通時(shí)，線圈 Y4 通電，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 1發(fā)送脫機(jī)信號(hào)。 M26 和 M27 是手動(dòng)分別控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，即前進(jìn)或后退。 當(dāng) M28 接通時(shí)，自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) M29 接通時(shí)，自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng) M27 或 M29 接通時(shí)，切斷步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào) Y3， 進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng) M28 或M29 接通時(shí)，M30 自鎖，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖。 其中 D0 和 D4 的值可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，分別改變進(jìn)給縱向的進(jìn)給速度和進(jìn)給量。橫向進(jìn)給速度、進(jìn)給量和方向控制的程序如圖7 所示。
圖 7橫向進(jìn)給速度、進(jìn)給量和方向控制
當(dāng)線圈 M34 接通時(shí)，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上電；當(dāng)線圈 M36 接通時(shí)，則斷電。 當(dāng) M38 接通時(shí)，給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 2 發(fā)送脫機(jī)信號(hào) Y7。 M40 和 M42 是手動(dòng)分別控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，即前進(jìn)或后退。 當(dāng) M43 接通時(shí)，自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) M44 接通時(shí)，自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng) M42 和 M44 接通時(shí)，切斷步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào) Y6，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)M43 和 M44 接通時(shí)，M46 自鎖， 給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖。其中 D8 和 D12 的值可以根據(jù)需要進(jìn)行改變，分別改變進(jìn)給橫向運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和進(jìn)給量。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度和進(jìn)給量轉(zhuǎn)換如圖 8 所示。
圖 8 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度和進(jìn)給量轉(zhuǎn)換
當(dāng) M52 接通時(shí)，將速度值 D60 根據(jù)式（1）轉(zhuǎn)換為頻率保存在 D0 中；將進(jìn)給量 D70 根據(jù)式（2）轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)后， 再轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖數(shù)保存在 D4。 當(dāng)M54 接 通時(shí) ，將速度值 D75 根 據(jù)式 （1）轉(zhuǎn) 換為頻率保存在 D8 中；將進(jìn)給量 D85 根據(jù)式（2）轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)后，再轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖數(shù)保存在 D12。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的橫向與縱向運(yùn)動(dòng)的控制如圖 9 所示。9圖 9進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的橫向與縱向運(yùn)動(dòng)控制當(dāng)M60 接通時(shí)，M62 自鎖，開始橫向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)所走距離值 D35 與所設(shè)距離值 D90 相等時(shí)，M64 接通，開始縱向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)所走距離值 D45 與所設(shè)距離值 D95 相等時(shí)，復(fù)位 M62，即停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng) M66 接通時(shí)，M68 自鎖，開始縱向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)所走距離值 D45 與所設(shè)距離值 D95 相等時(shí)，M70 接通，開始橫向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)所走距離值 D35 與所設(shè)距離值 D90 等時(shí)，復(fù)位M68，即停止運(yùn)動(dòng)。 當(dāng) M72 接 通時(shí) ，M74 自 鎖 ，橫向和縱向運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)所走距離值與所設(shè)距離值相等時(shí)，復(fù)位 M74，即停止運(yùn)動(dòng)。
2.結(jié)語
本設(shè)計(jì)從電氣控制方案、元器件選型及機(jī)加工系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境等因素綜合考慮，對(duì) CA6140 車床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了電氣化改造，改造后的該設(shè)備控制電路簡單，穩(wěn)定性和可靠性也增強(qiáng)，操作方便，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，進(jìn)而提高了加工精度。
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