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基于 PLC 的數控機床刀架控制系統改造

2021-1-21 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 數控實訓臺中四方位回轉刀架，通過外部三菱 PLC 的控制，介紹刀架的工作原理，同時也可提高工程技術人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時間。

關鍵詞：PLC；電動刀架；主軸

1 、問題的提出

數控車床上使用的回轉刀架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，其應用了自動控制、傳感檢測等方面的最新技術，是典型的機電一體化產品。合理選配電動刀架，并正確地實施控制，能夠縮短故障排除時間，有效地提高生產效率。

根據不同加工對象，自動回轉刀架有四方刀架和六角刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令換刀。回轉刀架在結構上具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。目前刀架的控制，都是由 CNC 內置 PLC 或固化 IO 控制完成，工程技術人員理解刀架的控制比較困難，本文擬就FANUC 0i-TF 數控實訓臺中四方位回轉刀架，通過外部三菱 PLC 的控制，介紹刀架的工作原理，同時也可提高工程技術人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時間。數控車床回轉刀架動作的要求是：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動作要求，要有相應的機構來實現。

2 、刀架的控制

2.1 自動刀架工作原理

①刀架電動機正轉，刀架抬起。正轉時，電動機回轉運動通過蝸桿蝸輪機構，轉化為直線運動，刀架體向上移動。即刀架電動機正轉時，通過蝸桿和蝸輪機構將驅動傳給絲杠，絲杠軸頭固定裝有刀架轉位定位銷盤，刀架體內孔加工有內螺紋，隨著絲杠轉動，刀架體內彈簧定位銷入位，刀架體向上移動，刀架向上抬起。當刀架體升至一定距離后，刀架體上的端面齒和刀架底座上的端面齒脫開。當嚙合齒脫開后，通過銷釘和止推槽的作用，使得絲杠螺母轉動進行換刀。隨著刀架的轉動，刀架體內刀位定位銷退出。②刀架電動機正轉尋位。刀架正轉進行尋位換刀，PLC 采集霍爾傳感器信號，與選定刀號比對，若傳感器信號與刀號相等，則刀架停止尋位，即正轉停止。③電動機反轉，刀架鎖緊。到達指定刀位時，刀架電動機停止正轉，反向鎖緊，完成整個換刀的過程。

2.2 四方電動刀架的控制

四方電動刀架電動機在電氣控制設計時要正、反轉互鎖，電器元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判斷。刀架電動機在換刀時必須先正轉后反轉，這是由四方電動刀架機械結構所決定的，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，或霍爾元件損壞、刀位信號線斷等，則換刀可能不能結束，若正轉或鎖緊時間過長，PLC 應有相應出錯處理程序，提醒操作人員進行檢修。電動刀架控制原理圖見圖 1，接線圖見圖 2。

圖 1 電動刀架 PLC 控制原理圖

圖 2 電動刀架 PLC 控制接線圖

3、主軸的控制

在實訓臺改造過程中，我們充分利用現有設備，綜合考慮學生實際，采用變頻器實現對主軸的調速控制。變頻器連接示意圖見圖 3。

圖3 變頻器與電動機連接示意圖

主軸電動機采用西門子 MM420 變頻器進行調速控制，MM420 系列有著高性能的 V/f 控制性能，可提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具有很強的過載能力，以滿足多種應用場合。使用變頻器前，須先熟悉變頻器的操作面板，再根據實際應用場景，對變頻器的各種功能參數進行設置。電機正反轉的控制方式可以有二種，一種是面板控制，一種是開關量端子控制，兩種控制方式不同，參數設置也不同。參數設置時應先恢復出廠值，再設電機參數。面板控制法主要參數設置：設 p1000 設為 2，開關量端子不接線，由變頻器面板控制電機的正反轉。

開關量端子控制主要參數設置：變頻器 5、6、7、8 為開關量端子。設 p1000 設為 2，開關量端子 5 接正轉控制信號、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。后期根據學生的掌握情況，利用PLC 拓展為多段速控制。變頻器 MM420 主要參數設置如表 1 所示。

表 1 變頻器 MM420 主要參數設置表

注意事項：①接線后一定要參考手冊，認真復查，以防接線錯誤而燒壞變頻器，尤其是主電源線路；②在接線時，擰緊變頻器內部力不要過大，以防損壞端子；③送電和停電過程中一定要注意安全，特別是停電過程中，一定要讓變頻器充分放電，LED 全部熄滅才能打開蓋板，等待 5min 以上；④在輸入變頻器參數時，一定要確認，以免發生錯誤；⑤由于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度和正、反向點動運行速度。另外，為了檢測主軸電動機的轉速，可采用編碼器，其接線為圖 4 所示。

圖4 旋轉編碼器與PLC的接線圖

PLC 通過高速計數器采集來自旋轉編碼器的信號，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制。

4、 PLC 控制程序

①刀架正反轉控制梯形圖如圖 5。②當前刀號判定如圖 6。③手動選刀控制如圖 7。④主軸速度檢測。主軸速度檢測采用 ZSW610-01C-1200BZ/05L 型旋轉編碼器。利用PLC 的 X0、X1 端子，采集旋轉編碼器 A、B 兩相高速脈沖數，通過浮點計算，可以較為精確地計算出 FANUC 0I-TF 數控車床裝調系統主軸速度。⑤觸摸屏控制。本系統改造裝置，選用昆侖通泰 MCGSTPC1061Ti 觸摸屏，方便學生操作，更加緊密聯系實踐應用，其畫面示意圖見圖 8。