PLC 在非數控機床轉速控制與位置測量中的應用

郭永杰，劉海生，王曉勇，馬 強，趙 軍

（內蒙古一機集團精密設備維修安裝公司，內蒙古包頭 014032）

0 引言

主軸是機床高速旋轉的運動機構，是機床的關鍵部件，其性能直接影響零件的加工質量，在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉速；另外對非數控機床進給軸增加位置測量與顯示功能，可在很大程度上提高機床的加工效率；以W160HC 鏜銑床電器改造為例，通過合理設計控制流程和PLC 程序，實現非數控機床主軸的自動換擋、自動變速和進給軸的相對位置、絕對位置測量功能。

1 項目背景及簡介

捷克產W160HC 鏜銑床原設備控制系統為繼電器控制系統，機床經過多年的使用，高低壓電氣元件、線路、直流調速裝置等功能部件等已嚴重老化，加工過程中隨機性的發生故障，給正常生產加工造成障礙，使用效率低下，機床處于非連續性加工狀態，為了充分發揮機床效能，擴展和延續機床的使用壽命，我們成功的對其進行電器系統升級改造，改造后設備自動化程度明顯提高，加工精度和可靠性也大幅度提高。

2 PLC 在非數控機床轉速控制的一種應用方法

2.1 背景技術

主軸是機床高速旋轉的運動機構，是機床的關鍵部件，其性能直接影響零件的加工質量。在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉速。機床主軸的變速一般采用電器調速、機床主軸變速箱換擋變速或兩者結合來實現。電器調速直接采用變頻調速或直流調速等方法改變電機轉速從而達到改變主軸轉速的目的；變速箱換擋變速則是電機轉速恒定，采用不同的齒輪組合實現主軸輸出幾擋不同的轉速，變速箱換擋變速不但可以使主軸獲得低速大扭矩，滿足強力切削的要求，還可以通過換擋改變傳動比滿足不同工序對主軸切削性能的要求，充分發揮主軸電機的性能。目前變速箱換擋方式，主要有手動、半自動與自動換擋方式。非數控機床一般都采用手動換擋或半自動換擋方式，而自動換擋方式一般都應用在比較先進的大型數控機床上。

2.2 應用方法

W160HC 鏜銑床主軸采用4 級擋位切換，實現不同的齒輪組合，換擋機構由兩個雙向電磁閥（23YV1～23YV4）控制兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下移動，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產生4 擋轉速，并在擋內進行無極調速，主軸箱內安裝4 個擋位檢測開關（21SQ1～21SQ4）。

為實現非數控機床主軸的自動換擋，在PLC 程序中預先設置主軸4 個換擋轉速范圍。控制系統依據不同的擋位給主軸驅動裝置發出不同的模擬量給定電壓，對應主軸電機不同的轉速。

2.2.1 實施步驟

在觸摸屏上激活“主軸監控畫面”，界面如圖1 所示。

圖1 主軸控制畫面

轉速輸入框中鍵入需要的轉速，主軸隨即開始自動變速與換擋，主軸當前擋位信息與運行狀態會在屏幕上顯示;“轉速監控”反饋當前的主軸旋轉速度，單位是RPM。

2.2.2 主軸換擋控制流程

主軸換擋的控制過程是在PLC 中實現的，具體主軸換擋控制流程見圖2。

圖2 主軸換擋控制流程

主軸換擋的控制過程是在PLC 中實現的。PLC 接受到觸摸屏發出的轉速命令，并根據轉速范圍判斷是否需要換擋，如不需換擋PLC 的模擬量模塊直接輸出鍵入轉速所需的模擬量給定電壓（DC 0～10 V）到直流調速器，控制主軸電機達到所需的轉速；如需換擋先檢查主軸與進給電機是否處于停轉狀態，如果未停，PLC 先向進給軸發“進給保持”命令，使進給軸停止，2 s 后向主軸發“主軸禁止”命令，使主軸停止。主軸與進給軸停止后，根據目標擋位，給相應的換擋液壓油缸（23YV1～23YV4）發出輸出命令，推動相應的齒輪運動。同時，啟動主軸換擋擺動模式，PLC 中設置擺動速度，使齒輪在移動中嚙合。定時器定時到了以后，PLC 檢測相應的擋位開關是否生效，如果生效，說明換擋齒輪嚙合到位，對應的檔位信號指示燈（HL21～HL24）點亮，換擋完成，主軸檔位顯示當前的檔位信息（1～4擋）。此時，主軸自動進入下一擋轉速，PLC 會根據換擋之前機床的狀態，控制主軸開始自動旋轉，2 s 后進給軸在當前的位置開始自動運行。

2.3 控制程序的編寫

2.3.1 PLC 硬件接線與WinCC 變量設計

控制系統采用了SINMENS S7-200 SMART 可編程控制器（編程語言：STEP 7-MicroWIN SMART）和SMART 700 觸摸屏（編程語言：WinCC flexible SMART V3）SINMENS S7-200 SMART 的硬件接線圖如圖3 所示，WinCC flexible SMART V3定義的變量表1 如圖4 所示。

2.3.2 PLC 程序簡要介紹

（1）如圖5 PLC 程序1 所示：當前主軸擋位寄存器MB20=1時，代表主軸處于低速檔，轉速范圍0～12 r/min，轉速比：1500/82，轉速比傳遞到當前子程序中的局部變量LD0；當MB20=2 時，代表主軸處于中低速檔二檔，轉速范圍12～37 r/min，轉速比：1500/25,轉速比傳遞給局部變量LD0，3、4 檔同理；以此來判斷每個擋位的轉速范圍，并與觸摸屏輸入的轉速VD0 進行比較，判斷出合理的擋位信息傳遞到擋位寄存器MB21 中。

MB20 是當前主軸擋位寄存器，兩者的比較信號下降沿置位M22.2，M22.2 為1 時主軸開始換擋沖動，同時換擋電磁閥開始工作。比較信號的上升沿或換擋超時信號T46 復位M22.2，實現主軸的自動換擋功能。

圖3 PLC 硬件接線圖

圖4 WinCC flexible SMART V3 定義的變量表1

圖5 PLC 程序1

（2）如圖6 中PLC 程序2 所示：M2.0（主軸正轉中繼信號）為1 時，把+27648 傳送給局部變量LD24,M2.1（主軸反轉中繼信號）為1 時，把-27648 傳送給局部變量LD24,當前擋位轉速比的臨時變量LD22 與LD24 相乘，結果傳送給臨時變量LD20，LD20 取整后傳送給LD28，LD28 由雙字轉換為字變量后傳送給AQW80 模擬量輸出通道1，模擬量模塊得到所需的模擬量給定電壓（DC 0～10 V），輸出到直流調速器，控制主軸電機的達到所需的轉速，實現模擬量的自動給定；M22.2（主軸換擋中繼信號）為1 時，啟動主軸換擋擺動模式，把0.003 傳送給局部變量LD20，設定了主軸換擋所需的擺動速度。

2.4 實施效果

本次機床電器改造根據該機床的主軸換擋結構，結合控制系統的特點，通過PLC 控制程序，對主軸換擋和變速進行自動控制處理，不僅提高機床的加工精度，而且延長主軸的使用壽命。

針對機床主軸換擋的形式，編制相應的PLC 控制程序，實現非數控機床自動換擋與檔內無極變速功能。最終調試的實驗結果表明，設計控制程序能夠使主軸在高、中高、中低、低四擋之間順利切換，換擋中無脫檔、換擋不到位、擋位不合理等現象，為同類機床的主軸自動換擋與自動變速提供了借鑒經驗。

圖6 PLC 程序2

3 PLC 在非數控機床位置測量中的一種應用的方法

3.1 背景技術

在機床的實際生產加工過程中，為了提高加工質量與效率，需要對位置進行自動測量與顯示，一種常見的方案就是將編碼器連接在電機的軸端，其輸出（A，B 相）連接到PLC，在PLC 編程時利用高速計數器對接收到的編碼器的脈沖進行計數。增量式編碼器是一種串行輸出編碼器，編碼器輸入一個最小單位的增量，輸出就會有一個脈沖輸出，編碼器輸入狀態與最終的輸出代碼對應需要通過外部脈沖計數器來完成，一旦掉電這種對應關系就會消失，重新上電后需要通過校正來恢復輸入與輸出的對應關系。

現有的多圈絕對值編碼器，由單圈絕對值的光柵或磁柵加上一個齒輪的多圈計數機構組成，其最大優點時能夠提供絕對位置信息，并且不受斷電影響，但其行程受圈數的限制，計量范圍受限，且圈數越多，其結構越復雜，體積就越大，成本也越高，不利于實現集成化和小型化，并且接線十分復雜，普通的PLC 無法實現其功能。

3.2 應用方法

W160HC 鏜銑床的鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）采用一臺直流電機驅動，基于上述原因，在直流電機變速箱輸出的絲杠端安裝一個增量式編碼器，來進行位置測量，另外，為了實現絕對位置測量功能并且不受機床斷電影響，PLC 程序中設定保持型存儲器VD60，記錄需要存儲的機床位置信息。

3.2.1 操作步驟

在觸摸屏上激活“鏜桿監控畫面”，界面如圖7 所示。

“當前位置”記錄鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）移動的距離，“保存位置”記錄需要保存的位置，屏幕上點擊“位置清零”時，“當前位置”會清零；點擊“位置保存”時，“當前位置”記錄的數值記錄到“保存位置”處；點擊“位置恢復”時，“保存位置”的數值更新至“當前位置”。

3.2.2 實現方法

圖7 鏜桿控制畫面

由于鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）的傳動比與反向間隙相同，因此我們采用了一個增量式編碼器并共用一個高速計數器通道來進行位置信息測量，PLC 通過高速計數器采集并記錄增量式編碼器輸入的脈沖數量，通過一定的邏輯關系轉換為鏜桿軸（圓杠）與滑枕軸（方杠）的位移信息通過觸摸屏顯示出來，并通過觸摸屏的位置存儲與位置恢復軟鍵執行相應的操作，來保證機床位置不受斷電影響，實現機床的絕對位置測量功能。另外由于兩者移動時存在恒定的反向間隙（約為0.2 mm），在PLC程序中設計了反向間隙補償功能，采用保持型繼電器記錄進給電機之前的移動方向，換向時PLC 首先采集反向間隙脈沖數，當達到程序中設定的反向間隙脈沖數后，才開始進入位置測量，極大的提高了機床進給軸的測量精度。

3.3 控制程序的編寫

3.3.1 WinCC flexible SMART V3 定義的對應變量表2 信息（圖8）

3.3.2 PLC 程序的簡要介紹

PLC 程序如圖9 所示：

SM0.0 時常1 信號，SM37.7 也常為1，高速計數器HSC0 始終啟用，坐標清零信號V9.6 的上升沿把0 傳送到SMD38（高速計數器HSC0 的新當前值）中，使編碼器脈沖信號清零，當前位置也變為0；高速計數器的當前值HC0 傳送給當前子程序中的局部變量LD0 中，LD0 通過比例換算為行走距離傳送到當前坐標VD14 中。

圖8 WinCC flexible SMART V3 定義的變量表2

圖9 PLC 程序3

當機床斷電需要記錄當前的位置信息時，點擊觸摸屏上的位置存儲按鍵，變量V26.1 發出1 個上升沿信號，VD14 中的當前坐標傳送到斷電存儲繼電器VD60 中，當需要恢復記憶的坐標時，點擊觸摸屏上的位置恢復按鍵，變量V26.2 發出1 個上升沿信號，斷電存儲繼電器VD60 中保存的Z 軸當前坐標傳送到VD18中，VD18 又通過位置、脈沖換算，將換算的脈沖數傳送到SMD38中，對計數器HSC0 的當前值進行了更新，新當前值又被傳送到局部變量LD0 中，LD0 通過位置、脈沖換算，鏜桿的位置信息實時被傳送到當前坐標VD14 中，實現了絕對位置測量功能。

3.4 實施效果

根據該機床的進給軸結構，結合控制系統的特點，在絲杠一端安裝增量式編碼器，通過PLC 控制程序，實現機床進給軸的絕對和相對位置測量功能，并且不受機床斷電的影響，解決了現有多圈編碼器因受齒輪圈數的限制導致結構復雜與計量范圍受限的問題，可為同類機床進給軸的位置測量提供借鑒經驗。

4 結束語

通過在捷克產W160HC 鏜銑床上實施電器系統升級改造，實現了下述功能，為非數控機床提高自動化水平與可靠性水平積累了大量經驗。

（1）在非數控機床上實現了主軸自動換擋與自動變速功能，在執行換擋過程中，控制主軸電機低速擺動，易于液壓撥叉推動齒輪實現穩定配合。能夠使主軸在高、中高、中低、低四擋之間順利切換，換擋中無脫檔、換擋不到位、擋位不合理等現象，在換擋時，機械沖擊小，可靠性高，消除了主軸低速運動換擋不穩定、主軸振動明顯，以及對傳動系統齒輪強度和使用壽命造成的不利影響，為同類機床的主軸自動換擋與自動變速提供借鑒經驗。

（2）實現了機床進給軸的絕對和相對位置測量功能，并且不受機床斷電的影響，解決了現有多圈編碼器因受齒輪圈數的限制導致結構復雜與計量范圍受限的問題，可為同類機床進給軸的位置測量提供借鑒經驗。