基于歐姆龍PLC的鏜床電氣控制系統改造

雷　鈞　羅　敏　吳岳敏　李慧玲　梅　燁　馬　彬

(湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

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基于歐姆龍PLC的鏜床電氣控制系統改造

雷鈞羅敏吳岳敏李慧玲梅燁馬彬

(湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

結合工廠實際情況，將傳統的繼電器、接觸器控制方式和歐姆龍PLC控制方式有機地結合在一起，設計了深孔鏜床的電氣控制系統，提高了系統的靈活性，使其功能更加完善。

深孔鏜床；PLC；電氣控制系統

深孔鏜床是加工圓柱形深孔工件的專用機床，床身剛性強，精度保持性好。主軸范圍廣，進給系統由交流伺服電動機組成，能適應各種深孔加工工藝的需要。授油器緊固和工件頂緊采用液壓裝置，安全可靠。筆者所在的團隊應湖北佳恒科技有限公司的需求，對該公司17臺深孔鏜床進行了電氣改造。

深孔鏜床在鏜孔加工時，其切削效率經常是影響整個工藝過程生產率的關鍵。鏜孔銑削過程是一個極其復雜、多因數相關的過程。影響鏜孔加工質量和效率的主要因素有刀具磨損、振顫等，它們都會直接反映到切削力的大小變化。由于切削力能快速準確地反映加工過程的狀態變化，因此在實際鏜孔加工中對于銑削力的監控顯得尤為重要。高速高精是鏜孔加工永恒的目標，實現恒切削加工是保證高速高精鏜孔加工的關鍵。在鏜孔過程中，由于毛坯材質不同，使得切削過程中的切削力不是一恒定值。為了保證刀具不被損壞，在實際鏜孔加工過程中，進給速度等工藝參數總是按最惡劣的條件來確定。這樣，導致切削功率過小，機床長期處于輕載狀態下，加工時間過長，機床的效能就不能充分發揮出來。

目前深孔鏜床在使用過程中，存在以下問題：(1)被加工工件材料不同，如果切削速度快，會打刀；如果切削速度慢，則加工時間長，效率低。(2)冷卻泵出現故障時，系統不能有效監測，此時若加工仍在進行，損壞刀具與工件。(3)文本顯示的界面，操作不方便。在鏜孔加工時，加工要求刀具輸出功率恒定，以保證加工質量和延長刀具壽命。但是目前采用人工監視電流互感器輸出到電流表的數值，然后手工調節伺服電動機轉速，主軸交流電動機的輸出功率處于開環狀態，加工精度受到影響。因為要監視電流表的數值和冷卻液的狀況，一個操作工只能操作一臺鏜床，人員的生產率低。

針對以上主要存在的問題，設計開發了基于歐姆龍PLC的鏜床電氣控制系統，在保證加工質量符合設計要求的前提下，使整個鏜床系統處于最佳的鏜孔切削條件。如圖1所示，刀桿安裝在拖板上，伺服電動機驅動絲杠旋轉帶動托板運動，伺服電機的轉速決定了軸向進刀量。工件裝卡在床頭三爪卡盤上，由變頻器驅動異步電動機，通過皮帶帶動工件旋轉，主軸轉速范圍180～230 r/min。選定機床主軸電動機的電流為約束參數，通過交流互感器間接測量的方法獲取，交流互感器的交流電流輸出值經電流變送器送入PLC的A/D，PLC通過監測主軸電動機的電流，形成主軸電動機電流的閉環控制，使主軸電動機電流保持恒定。在加工中當負載出現變化時，PLC通過D/A輸出模擬量(+10 V～-10 V)控制伺服電動機轉速或者主軸電動機轉速，系統能夠及時調整刀具的進給速度或者主軸電動機的轉速，以適應負載的變化，并使負載維持在較為恒定的水平，在加工過程中隨時檢測電動機的電流來間接觀察切削力的變化。

在本項目開發中，采用速度方式控制伺服電動機，當電流超過設定值時，減小伺服電動機的進給速度；當電流小于設定值時，增大伺服電動機的進給速度。設定電流上限值，如果電流超過上限值，則停止加工。PLC通過監測冷卻液壓力，在加工過程中判斷冷卻液是否停止輸出，當冷卻泵出現問題，冷卻液壓力變小時，停止加工。

本課題PLC選用歐姆龍的CP1-XA40DT-D，內置輸入24點/輸出16點，可實現高速計數器4軸、脈沖輸出4軸，內置模擬電壓/電流輸入4點、模擬電壓/電流輸出2點，通過安裝選件板，可進行RS232C通信或RS-422A/485通信。擴展模塊為CP1W-20EDT。

1　鏜床電氣控制系統設計

1.1主電路設計

圖2為深孔鏜床的主電路圖，主軸電動機由交流接觸器KM1-KM3控制，斷路器QF1閉合，使電路引入三相交流電源，KM1接通時，M2主軸潤滑泵電動機立即啟動，然后控制讓KM2閉合，把主軸電動機的定子繞組接成Y形，以降低啟動電壓，限制啟動電流；待主軸電動機具有一定轉速以后，即定時6 s以后，再使KM3閉合KM2斷開，把定子繞組接成△，使電動機進入全壓運行狀態。KM2和KM3形成聯鎖保護，保證電路正常運行。閉合斷路器QF3使快速電動機回路通電，KM5和KM6控制快速電動機的正反轉，閉合KM5快速電動機正轉運行，再閉合KM6，此時，KM5接觸器主觸點自動斷開，形成聯鎖保護，快速電動機反轉運行。圖3所示4臺冷卻泵電動機和一臺液壓泵電動機，只要使相應的斷路器和交流接觸器閉合，便會自動運行。

1.2控制電路設計

圖4為深孔型鏜床的控制部分電路圖，閉合二極保護開關QF17，變壓器通電，二次側出來的24 V交流電給機床照明燈供電，而220 V交流電則通過整流器整流后，給液壓站的4個電磁閥YV1～YV4供電，YV1由繼電器KA19控制，YV2由繼電器KA20控制，YV3由繼電器KA2控制，YV4由繼電器KA21控制；閉合二級保護開關QF21，變壓器工作，二次側容量為150 VA的交流電供電柜風扇用電，容量為450 VA的交流電供主控制回路用電，主電動機正轉啟動由繼電器KA3、KA6(常閉)控制，主軸電動機的“Y”形和“△”形啟動由繼電器KA4、KA5和繼電器KM3、KM2控制，液壓泵電動機由繼電器KA18和KM11控制，冷卻液泵電動機由繼電器KA9和KM7-KM10控制，拖板電動機的快進和快退由繼電器KA12、KA13和接觸器KM5、KM6控制。

圖5為伺服驅動器接線原理圖，三相電源直接接入一個斷路器QF11，然后經過“Y-△”的三相變壓器后再接入自動三極開關QF12，經QF12接入伺服驅動器的L1、L2、L3端口，伺服驅動器的U、V、W端口分別接伺服電動機的A、B、C三端。

表1輸入地址分配表

序號名稱地址1急停輸入KA300.002床頭按鈕站選擇SA250.013主軸電動機正轉沖動SB40.024拖板快速后退沖動SB50.035主軸電動機正轉啟動SB60.046主軸電動機正轉停止SB70.057拖板快進SB80.068拖板快退SB90.079冷卻電動機啟動SB100.0810冷卻電動機停止SB110.0911液壓啟動SB120.1012液壓停止SB130.1113授油器夾緊SB141.0014授油器松開SB151.0115拖板進給前進SB161.0316拖板進給停止SB171.0417拖板進給后退SB181.0518拖板快速后退沖動SB211.0619拖板快速前進沖動SB221.0720拖板按鈕站選擇SA261.0821主電動機保護QF11.0922冷卻保護QF4-QF71.1023伺服報警ALM1.1124拖板總停SQ12.0025手動/自動轉換SQ22.0126拖板前限位SQ32.0227拖板后限位SQ42.0328拖板過載保護SQ52.04

1.3PLC I/O控制設計

PLC I/O點輸入分配如表1所示，輸出分配如表2所示。

表2輸出地址分配表

序號名稱地址1授油器頂緊KA2100.002主軸電動機正轉啟動KA3100.013主軸電動機星形啟動KA4100.024主軸電動機三角形啟動KA5100.035主軸電動機制動KA6100.046冷卻電動機啟動KA7100.077拖板快速電動機前進KA9101.008拖板快速電動機后退KA12101.019伺服報警復位KA13101.0210伺服正常KA14101.0311液壓泵啟動KA15101.0412授油器夾緊KA18101.0513授油器夾緊松開KA19101.0614授油器頂緊退回KA20101.0715報警指示燈HL2102.00

圖6為CP1-XA40DT-D的接線圖，圖7為擴展模塊CP1W-20EDT接線圖。

1.4PLC模擬量輸入輸出設計

圖8為模擬量輸入部分電氣原理圖，模擬量輸入單元將標準的電流信號(4～20 mA)轉換成數字量后送入到PLC中的對應存儲通道(200～202CH)中，然后PLC將信號在存儲器中的值給觸摸屏，就會在觸摸屏上顯示出液壓壓力、冷卻壓力、電流值。圖9為模擬量輸出部分電氣原理圖，模擬量輸出單元將指定的數字量轉換成標準的電壓信號(-10～10 V)給伺服驅動器，從而控制伺服電動機轉速。

1.5伺服電動機速度控制

之所以沒有采用PID控制，是因為在進行鏜孔加工時，刀具的進給速度不能頻繁調整。實際開發中，帶死區的伺服電動機速度控制可以滿足鏜孔的要求，滿足了工藝要求，提高加工效率。使實際切削力一直處于選定的范圍內。這種以電流為約束參數的自適應控制系統與現在應用較多的以切削力為約束參數的自適應控制系統相比，最大的優點就是不必對原切削系統作較大的改動，不是直接建立負載的數學模型來求解負載，而是通過測量電動機電流來間接表征切削力的大小。這種間接測量的方法避免了傳統的建立負載數學模型的復雜性和不精確性，刀具的進給速度能隨著電流的變化而發生相應的變化，從而使切削力在整個加工過程中保持相對的平穩。因此該切削力自適應控制方法一方面可以提高加工的質量和效率，另一方面可以有效地保護刀具和機床，提高它們的使用壽命。

2　結語

本深孔鏜床電氣控制系統基于歐姆龍CP1H-XA40DT-D，特點是主軸電動機恒電流輸出，保護了刀具，提高了加工速度和生產效率、產品精度。加工時無冷卻液輸出，停止加工，保護刀具和工件，提高了鏜床可靠性。本課題所設計的電氣系統已經在鏜床系統上使用，能適應工業環境，人機界面友好，操作方便靈活。

[1]付保英，馬尚禎.基于PLC的T68鏜床控制系統的改造[J].煤礦機械，2014，35(3)：154-155.

[2]連晗.基于三菱FX2N的落地式鏜床的PLC技術改造[J].煤礦機械.2014，35(3)：151-153.

[3]李翠翠，龍斌.TPX619臥式數顯鏜床電氣控制系統的PLC改造[J].煤炭技術，2013，32(10)：24-25.

(編輯汪藝)

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Design of boring machine electrical control system based on Omron PLC

LEI Jun, LUO Min, WU Yuemin, LI Huiling, MEI Ye, MA Bin

(School of Electrical & Information Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442002, CHN)

Considering the factory actual situation, a electrical control system of deep hole boring machine that combine the relays, contactors and PLC control together is designed. Reliability and flexibility of the electric system are improved.

deep hole boring machine; PLC; electrical control system

TP273；TG53

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.032

雷鈞，男，1975年生，工學碩士，副教授，研究方向為工業電氣自動化技術、單片機應用開發技術等。

2016-04-12)

160843