基于PLC的高速銑削實驗臺集成控制系統設計

吳 碩，馬廣君，史家順，竇 艷

（1.遼寧裝備制造職業技術學院，沈陽 110161；2.東北大學 機械工程學院，沈陽 110089）

基于PLC的高速銑削實驗臺集成控制系統設計

吳 碩1，馬廣君1，史家順2，竇 艷2

（1.遼寧裝備制造職業技術學院，沈陽 110161；2.東北大學 機械工程學院，沈陽 110089）

0 引言

高速切削加工是現代切削加工的發展方向，而切削力和切削溫度等參數是影響高速切削技術研究的重要內容，也是反應加工過程的重要參數。然而，現有的切削力、切削溫度檢測系統都是一套獨立的系統，設計開發一套數控加工與切削力、切削溫度檢測集成系統，不僅可以減少了部分硬件設備，降低了成本，也使系統功能更加強大和集中，便于高速切削的研究。本文利用實驗室已具備的高速電主軸、刀庫等實驗設備，搭建一個可自動換刀的高速切削實驗臺，開發了一套以PC機為上位機，PLC為下位機的集成控制系統，并對其硬件結構和軟件系統進行了介紹。

1 集成控制系統總體設計方案

1.1 高速銑削實驗臺搭建

高速銑削實驗臺要求能夠實現主軸轉速在12000r/min以上的高速銑削，工作臺能夠實現橫向和縱向兩個方向的移動，能夠自動換刀，根據這些要求，結合加工中心的機械結構，提出高速銑削實驗臺的搭建方案。實驗臺由底座、立柱、工作臺、主軸等部分組成，實驗臺的機構示意圖如圖1所示。

1.2 高速銑削實驗臺控制要求

圖1 高速銑削實驗臺機構示意圖

1）實現電主軸的控制。高速銑削實驗臺的構建，最主要的目的是進行高速銑削實驗，本系統的高速銑削主要體現在主軸的高速，主要是主軸的速度控制。另外，為了完成自動換刀功能，主軸需具有準停功能，即換刀前，主軸會停止在一個固定角度來實現刀具與主軸刀具接口之間的鍵聯接。

2）實現實驗臺的進給運動控制。高速銑削實驗臺的進給運動控制跟數控銑床的進給運動控制方法相同，但實驗臺以對高速銑削的切削參數檢測為主，故本系統的進給運動功能只設計了手動操作下的點位運動控制和直線運動控制，實驗臺的坐標系設定為XOY坐標系。

3）實現刀庫的控制。高速銑削實驗臺另外一個重要的功能是實現自動換刀，自動換刀包括選刀和換刀兩部分，選刀是通過對刀盤的控制旋轉把所選刀號的刀旋轉到換到位，換刀是利用換刀機械手把主軸和刀庫的刀具相交換。

4）實現高速銑削實驗臺的切削力和切削溫度檢測功能。

1.3 控制方案的選擇

對于控制步進電機或伺服電機實現三軸、四軸的聯動，采用運動控制器具有很好的開放性，但運動控制器需配有專門的運動控制軟件。PLC脈沖控制功能同樣可以實現運動控制，而且PLC程序簡單易懂，開發周期短、通信簡單、抗干擾能力強。與運動控制器相比，PLC開發相對簡單，更適用于本系統對運動控制要求不是很高的場合。

所以，綜合考慮系統的控制要求和實際情況，該系統用PLC實現前臺主軸、刀庫、運動控制和切削參數采集功能，用PC機實現人機界面及后臺管理，并通過PC機與PLC之間的通信完成整個系統的控制任務。

2 集成控制器的硬件設計

2.1 集成控制系統硬件結構

根據高速銑削實驗臺的控制方案和實驗臺的控制要求，確定控制系統由以下硬件組成如下：1）PC機和PLC；2）電主軸和變頻器；3）步進電機及驅動器；4）刀庫；5）銑削力測力儀；6）自然熱電偶，控制系統的硬件機構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構框圖

2.2 PC機與PLC選擇

PC機作為上位機主要完成人機界面的開發，PC機可選用普通配置的個人PC機，帶有RS-232串口。本實驗臺控制系統PLC選用西門子200系列的小型PLC CPU224XP，CPU224XP集成兩個模擬輸入通道和一個模擬輸出通道，可輸入、輸出0～5V、-10V～10V的電壓信號或0～20mA的電流信號。兩個模擬量輸入通道可用于切屑參數信號輸入，一個模擬量輸出通道可以控制變頻器來實現主軸變頻調速。

2.3 進給驅動系統確定

高速銑削實驗臺三個方向的進給都由步進電機驅動，PLC輸出的高速脈沖經過驅動器進行功率放大，驅動步進電機轉動，通過滾珠絲杠帶動工作臺在三個方向上移動。根據控制系統設計方案要求，以滿足主要性能為前提，三個方向均選擇Kinco公司的3S57Q-04056型步進電機，配套驅動器為KM358型步進驅動器根據步進電機驅動器和PLC內部電路結構，以及控制要求，確定步進電機驅動器和PLC的接線原理圖如圖3所示。

圖3 步進電機驅動器和PLC接線原理圖

2.4 電主軸控制系統選擇

系統中，電主軸采用變頻器來實現無極調速。根據電主軸的參數，選擇與電主軸相配套的西門子MM420變頻器。西門子變頻器內建RS-485通信口，可直接與上位機相連，實現對變頻器的控制，也可以通過PLC的模擬量模塊輸出與頻率對應的模擬量信號來實現對變頻器的控制。本系統采用模擬量控制的方案。根據變頻器端子配線圖與電主軸的控制要求，確定PLC與變頻器接線的原理圖如圖4所示。

電主軸上裝有高速編碼器GEL244，該編碼器輸出脈沖最高頻率可達200Hz，輸出脈沖是相位相差90°的正弦信號，編碼器采用輸出采用長線驅動方式，接口為9針，輸出信號分別為A相輸出A+、A-，B相輸出B+、B-和零位脈沖輸出N+、N-。為使PLC可以接收編碼器的輸出脈沖信號，可采用光電耦合器進行輸出信號轉換，使編碼器可以接入PLC，其硬件接線圖如圖5所示。

圖4 變頻器與PLC接線原理圖

圖5 編碼器與PLC接線原理圖

2.5 切削力和切削溫度檢測系統設計

切削力采用壓電式三向銑削測力儀進行測量，系統把測力儀的電壓信號經過動態電阻應變儀的濾波和放大后用PLC的模擬量模塊進行采集。切削溫度采用自然熱電偶法，將刀具和工件兩種材料作為熱電偶的兩極，組成閉合回路來測量切削溫度，同樣電壓信號經過信號調理電路的放大后用PLC的模擬量模塊進行采集。切削力和切削溫度檢測系統的結構框圖如圖6所示。

圖6 切削力和切削溫度檢測系統結構框圖

2.6 操作面板設計

高速銑削實驗臺如圖7所示，面板主要分布總電源、啟動、停止、急停按鈕；總電源、控制電源、報警指示燈；液壓、氣壓、冷卻、切削液選擇開關；+X、-X、+Y、-Y點動按鈕；主軸正轉、主軸反轉、主軸停按鈕。這些按鈕、開關通過電纜把I/O信號輸入到PLC中，由PLC實現實驗臺的各控制功能。

圖7 高速銑削實驗臺操作面板

3 集成控制系統軟件設計

3.1 系統軟件結構設計

系統采用模塊化控制系統，系統軟件包括控制功能模塊和管理功能模塊兩部分。其中控制功能模塊包括：手動加工、切削力、切削溫度采集和顯示、工作臺坐標顯示。管理模塊包括：控制參數設置、切削數據管理、控制系統通信。

如果按系統實現的功能來劃分，本系統可以分為數控加工模塊和切削力和切削溫度檢測模塊。數控加工模塊主要包括主軸控制、刀庫控制、工作臺運動控制和輔助控制模塊，切削力和切削溫度檢測模塊主要包括數據采集、數據分析、數據存儲模塊。系統的軟件結構如圖8所示。

圖8 系統的軟件結構

3.2 系統工作流程

系統軟件的主要任務就是在實驗臺的人機界面設定工作臺運動參數、主軸轉速、換刀號，根據參數的設定手動完成點動、原點返回、目標定位、進給、主軸控制、自動換刀等功能，并在高速銑削中進行切削力和切削溫度的檢測和數據處理，系統的工作流程圖如圖9所示。

圖9 系統工作流程圖

4 實驗臺運行調試

系統硬件、PLC程序、人機界面和PLC的通信都調試完成以后，可以進行整個系統的試運行。把編寫好的完整的PLC程序下載到PLC中，打開總電源開關，點擊操作面板上的“開始”按鈕步進電機上電，分別按下控制工作臺前、后、左、右移動的點動按鈕，工作臺開始點動運動。打開人機界面，分別進行原點返回、定位、進給功能測試，經測試，系統能夠按照人機界面輸入的參數完成各運動控制，并且人機界面中能夠實時顯示工作臺的坐標值。點擊操作面板的“停止”按鈕，電機停轉。按下急停按鈕，系統斷電。系統運行人機界面如圖10所示。

圖10 系統運行人機界面

用電位器提供的電壓模擬量輸入信號作為切削參數的輸入信號，人機界面采集切削參數數據，經內部變量設定的標定系數方程轉化之后，在“實時趨勢曲線”中顯示采集數據的曲線圖如圖11所示。

圖11 切削力和切削溫度實時曲線圖

分別采入四次數據，模擬進行了四次高速銑削實驗，切削參數檢測系統會對實驗結果做出分析。點擊人機界面的“數據處理表格”按鈕，彈出“數據處理” 窗口如圖12所示。點擊“XY曲線”按鈕，彈出“切削參數XY曲線”窗口如圖13所示。

圖12 數據分析表格窗口

圖13 XY曲線圖

經調試和試運行，本系統的運動控制功能和切削參數檢測功能可以正常運行，能夠達到要求實現的設計功能。

5 結論

基于現有的軟硬件資源，對高速銑削數控系統和切削力、切削溫度檢測系統的集成做出了積極的探索，利用組態軟件的開發把兩種功能集成在一個控制系統中，方便了高速銑削實驗的開展，但其功能遠不能滿足高速銑削實驗臺對高速銑削銑削用量、切削路徑等方面研究的要求，系統需要進一步研究和開發，使其具有使用價值。

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Design of integration control system for high-speed milling experiment platform based on PLC

WU Shuo1，MA Guang-jun1，SHI Jia-shun2，DOU Yan2

文章利用現有的高速電主軸、刀庫等實驗設備構建一個可自動換刀的高速銑削實驗臺，結合其特點和控制要求，采用“PC+PLC”的結構形式研究和開發了一套基于PC機的高速銑削實驗臺集成控制系統。該系統用PLC實現前臺主軸、刀庫、運動控制和切削參數采集功能，用PC機實現人機界面及后臺管理，并通過PC機與PLC之間的通信完成整個系統的控制任務。實驗結果表明，所開發的高速銑削實驗臺集成控制系統系統運行良好，操作方便，人機界面友好，能夠實現控制高速銑削實驗的控制要求以及切削力和切削溫度的檢測要求。

高速銑削實驗臺；集成控制系統；人機界面；PLC

吳碩（1982 -），男，沈陽人，講師，碩士研究生，研究方向為電氣自動化和工業控制技術。

TP391

A

1009-0134(2014)06(上)-0128-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).37

2014-02-17