數(shù)控機(jī)床主軸PLC控制仿真與實(shí)現(xiàn)

范華

摘?要：PLC（可編程邏輯控制）控制是數(shù)控機(jī)床控制電路中非常重要的組成部分之一，在設(shè)計(jì)或教學(xué)過程中由于受實(shí)驗(yàn)條件、教學(xué)環(huán)境的限制很難去展開。采用Multisim12軟件的Ladder Diagrams模塊，以主軸正反轉(zhuǎn)控制為典型案例建立Multisim12電氣仿真模型，設(shè)計(jì)梯形圖通過設(shè)置電氣參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，利用自有測(cè)試儀器觀察仿真結(jié)果，最后在真實(shí)機(jī)床XK5025上實(shí)現(xiàn)。該方法不需要大量的儀器設(shè)備，降低教學(xué)成本，同時(shí)可以現(xiàn)場(chǎng)模擬展示，人人動(dòng)手，具有一定的普適性。

關(guān)鍵詞：Multisim12;PLC;數(shù)控機(jī)床;仿真

中圖分類號(hào)：G712?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ????文章編號(hào)：1992-7711（2018）23-066-3

數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，數(shù)控裝置將加工程序的代碼信息經(jīng)運(yùn)算處理后發(fā)出各種控制信號(hào)完成各軸控制運(yùn)動(dòng)[1]。其中PLC的作用是接收零件加工程序的開關(guān)功能信息（輔助功能M、主軸轉(zhuǎn)速功能S、刀具功能T）、機(jī)床操作面板上的開關(guān)量信號(hào)和機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，完成輸出控制功能，實(shí)現(xiàn)各功能及操作方式的聯(lián)鎖。

數(shù)控機(jī)床是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)，成本較高，不可能大批量購置，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中很難實(shí)現(xiàn)人手一臺(tái)，而且在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中學(xué)生不太熟悉，操作的盲目性會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的硬件損壞、數(shù)據(jù)丟失等，鑒于以上原因，導(dǎo)致許多高校在教授PLC在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用只能局限于書本教學(xué)或者許多學(xué)生扎堆在一、二臺(tái)機(jī)床上，教學(xué)效果不理想。目前也有許多專用的PLC編輯調(diào)試軟件，比如Fanuc數(shù)控系統(tǒng)FAPT Ladder III軟件可以編制梯形圖，只具有在線監(jiān)視和診斷功能[2]，但不能實(shí)現(xiàn)離線脫機(jī)仿真，仍然離不開機(jī)床硬件的支持。NI公司的Multisim12軟件具有繼電器和梯形圖功能仿真模塊，很好的解決書本知識(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)相脫節(jié)的難點(diǎn)問題，學(xué)生可以很方便地把學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)語言真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器測(cè)量仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，極大地提高了學(xué)習(xí)熱情和積極性，真正地從理論知識(shí)的灌輸?shù)嚼韺?shí)一體的轉(zhuǎn)變。

一、軟件介紹

Multisim12是美國國家儀器（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）最近推出的用于電路設(shè)計(jì)和電子教學(xué)的交互式仿真軟件，不僅提供電子電路的虛擬仿真，而且可以實(shí)現(xiàn)LabView虛擬儀器、單片機(jī)仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard設(shè)計(jì)電路板等功能[3]。Multisim12主要的功能如下[4]：

（1）提供交互式仿真環(huán)境，用戶通過仿真結(jié)果理解電路的概念無須考慮應(yīng)用環(huán)境。

（2）具有22種與真實(shí)儀器相同功能的虛擬測(cè)量?jī)x器和20個(gè)功能強(qiáng)大數(shù)據(jù)分析工具，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量與分析處理。

（3）通過VHDL語言、Ladder語言可以捕捉并仿真PLD（可編程邏輯設(shè)備）、PLC（可編程邏輯控制器）數(shù)字電路，很容易實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過度。

（4）包含2萬多部件庫，有些部件具有交互式（如開關(guān)和電位計(jì)）、動(dòng)畫效果（如LED和7段數(shù)碼管）、虛擬參數(shù)設(shè)置和3D效果的部件等。

目前Multisim12軟件絕大多數(shù)應(yīng)用在模擬電路和數(shù)字電路中，但在繼電器電路和PLC控制電路中的應(yīng)用相關(guān)研究較少。本文從Fanuc 0i系統(tǒng)的XK5025數(shù)控銑床的主軸正反轉(zhuǎn)控制為例，研究和探討Multisim12軟件在數(shù)控機(jī)床PLC控制中的應(yīng)用。

二、機(jī)床主軸正反轉(zhuǎn)PLC控制仿真

1.正反轉(zhuǎn)繼電器電路特點(diǎn)

主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是機(jī)床中最常見的控制功能，經(jīng)典的繼電器電路[5]，按下控制回路中SB2按鈕，交流接觸器KM1線圈接通，正轉(zhuǎn)回路中KM1常開輔助觸點(diǎn)吸合實(shí)現(xiàn)電路自鎖，反轉(zhuǎn)回路中KM1常閉輔助觸點(diǎn)斷開實(shí)現(xiàn)互鎖，同時(shí)主回路中KM1交流接觸器主觸點(diǎn)閉合，主軸電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);同理按下SB3按鈕，KM2常開輔助觸點(diǎn)吸合自鎖，KM2常閉輔助觸點(diǎn)斷開互鎖，主回路中KM2主觸點(diǎn)閉合，主軸電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。按下SB1停止按鈕斷開控制回路，主軸電機(jī)停轉(zhuǎn)。

由于繼電器電路線路復(fù)雜，觸點(diǎn)多，故障率高，調(diào)試、修改不方便等原因，目前在數(shù)控機(jī)床上逐漸被PLC控制電路所取代，繼電器電路中的大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)時(shí)器等被PLC中的語句表、梯形圖等所替代，線路大大簡(jiǎn)化，抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)、修改靈活方便。

在FAPT Ladder III軟件中梯形圖只能通過RS232C串口與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控和調(diào)試，無法通過軟件本身驗(yàn)證梯形圖編寫是否正確性，在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中學(xué)生沒有更加形象、直觀的印象。NI公司的Multisim12軟件具有Ladder Diagrams模塊，理解PLC順序控制的原理就能實(shí)現(xiàn)PLC梯形圖的仿真模擬，上手容易吸收快。

2.交流接觸器子模塊的建立

在Multisim12中沒有現(xiàn)成的交流接觸器模塊，文獻(xiàn)[3][6]采用ElectroMechanical庫中的延時(shí)繼電器TIMEDCONTACTS構(gòu)建，但是仿真時(shí)總有一個(gè)時(shí)間延時(shí);文獻(xiàn)[4][7]采用COILS_RELAYS中的MOTOR_4A構(gòu)建，輸入輸出接口太多，仿真時(shí)不穩(wěn)定。本文采用基本元件庫BASIC中的RELAY來構(gòu)建，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。為了系統(tǒng)顯示更加簡(jiǎn)潔，可以建立子模塊，方法是選中各元器件鼠標(biāo)右鍵通過“Replace by subcircuit”來建立子模塊，子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，子模塊封裝，A、A1分別是接觸器控制回路線圈的輸入、輸出端子，x、x1，y、y1，z、z1分別是交流接觸器主觸點(diǎn)的輸入、輸出端子。為了便于線路的連接，可通過右擊封裝Edit symbol / title block布置子模塊引腳的位置。

3.PLC控制正反轉(zhuǎn)仿真模型的建立

根據(jù)繼電器電路的原理圖建立基于Multisim12的PLC控制正反轉(zhuǎn)仿真模型。（a）圖中主回路電源采用380V 50HZ的Y型三相交流電源，QF1為主回路斷路器，KMF、KMR分別為主回路中控制正、反轉(zhuǎn)的交流接觸器，R1、R2、R3為三個(gè)可變電阻器，分別模擬電動(dòng)機(jī)的三相負(fù)載[4]。控制回路中SB1、SB2、SB3分別為停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕，U1、U2分別為PLC的I/O模塊，為了直觀反映電機(jī)的工作狀態(tài)，采用探針x11、x12、x13亮滅分別顯示電動(dòng)機(jī)停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。（b）圖中x1、x2、x3分別為停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)的狀態(tài)，Y1、Y2、Y3分別為停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)輸出線圈狀態(tài)。

4.PLC控制正反轉(zhuǎn)模型的仿真

點(diǎn)擊“Run（F5）”開始仿真：

（1）探針x11、x12、x13都不亮，示波器XSC1有電源輸入信號(hào)，如圖5所示，示波器XSC2無輸出波形;

（2）按下按鈕SB2，觸點(diǎn)x2閉合，中間繼電器線圈M6接通后x5自鎖，且輸出線圈Y1接通，電源探針x1（紅色）燈亮，同時(shí)輸出線圈Y2、Y4接通，Y4控制交流接觸器KMF閉合主軸電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，Y2控制正轉(zhuǎn)探針x12（綠色）燈亮;

（3）此時(shí)按下按鈕SB3，觸點(diǎn)x3閉合，但是常閉觸點(diǎn)M2在正轉(zhuǎn)時(shí)斷開的，故反轉(zhuǎn)被互鎖。

（4）按下按鈕SB1，觸點(diǎn)x1斷開，中間繼電器觸點(diǎn)x2被解鎖，M6、Y2、Y4被線圈切斷，電源探針x1熄滅，交流接觸器KMF斷開，主軸電動(dòng)機(jī)停止。

（5）按下按鈕SB3，觸點(diǎn)x3閉合，中間繼電器線圈M7接通后x7自鎖，且輸出線圈Y1接通，電源探針x1點(diǎn)亮，同時(shí)輸出線圈Y3、Y5接通，Y5控制交流接觸器KMR閉合主軸電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，Y3控制反轉(zhuǎn)探針x13（藍(lán)色）燈亮;

（6）此時(shí)若按按鈕SB2，觸點(diǎn)x2接通，但常閉觸點(diǎn)x4被互鎖斷開，正轉(zhuǎn)無法接通。

仿真過程中電動(dòng)機(jī)的三相輸入波形如圖6所示，從圖中可以看出，正、反轉(zhuǎn)的波形相序相反（粉色、綠色兩相相序相反），仿真的過程與真實(shí)電路的工作過程相一致。

三、PLC控制正反轉(zhuǎn)在數(shù)控機(jī)床主軸上的實(shí)現(xiàn)

在自主改造的數(shù)控銑床XK5025，數(shù)控裝置采用日本FANUC 0i系統(tǒng)，具有內(nèi)裝式PLC，驅(qū)動(dòng)裝置采用西門子MICROMASTER 420變頻器，原理圖如圖7所示。中間繼電器觸點(diǎn)KA3、KA4分別控制主軸電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，中間繼電器線圈KA3、KA4在PLC輸出回路中，如圖8所示。梯形圖如圖9所示，X10.3、X10.1、X10.0分別為主軸正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn)按鍵，

Y30、Y3.1分別是電動(dòng)機(jī)主軸正反轉(zhuǎn)線圈，SFRA、SRVA是CW、CCW指令信號(hào)，Y7.5、Y6.4為電機(jī)正反轉(zhuǎn)指示燈，經(jīng)調(diào)試，滿足數(shù)控銑床正反轉(zhuǎn)控制的要求。

四、結(jié)論

通過Multisim軟件對(duì)數(shù)控機(jī)床PLC控制電路的仿真，驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的可行性，縮短在線調(diào)試的周期，同時(shí)在教學(xué)過程中可以離線仿真，節(jié)約教學(xué)投入成本，教學(xué)組織容易實(shí)施，避免初學(xué)者不熟悉導(dǎo)致硬件平臺(tái)的損壞，另外Multisim是基于Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）電路仿真軟件，提供非常逼真的測(cè)試儀器儀表，比如探針、安捷倫（Agilent）示波器、泰克（Tektronix）示波器等，仿真形象、直觀，學(xué)生上手容易，經(jīng)過一年多的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生反映效果良好。

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