基于PLC的立式車床控制系統設計研究

摘要：根據立式車床的工作特點以及實際工作需要，基于PLC設計了立式車床各系統，分析了立式車床的自動化控制過程。實踐證明，基于PLC的立式車床控制系統提高了工件的加工精度，降低了企業加工成本。

關鍵詞：立式車床;繼電器控制;PLC

0 引言

PLC即可編程控制器，是一種以微電子技術作為理論基礎的工業控制裝置[1]。相較于傳統的繼電器控制方法，PLC控制有如下優點：（1）PLC沒有連接觸點，使用壽命較長，具有程序自我檢測和診斷功能，保證工作的可靠性;（2）不同于傳統的并行工作模式，采用串行接口，不會受到其他系統干擾;（3）不同于傳統的硬接線方式，采用軟接線方式，通過編寫程序實現自動化控制和功能添加的目的;（4）PLC電路一般內置有計時芯片，通過晶體震蕩產生脈沖進行計時，具有較為精確的自動計時方式，且不會受到外界影響。

1 立式車床整體設計方案

1.1 ? ?機械系統設計

本文設計的立式車床主要用于軸類、盤類等工件的自動加工，需要實現的功能包括主軸變速和制動、刀架自動轉換、進刀方向和進刀速度自動調整、橫梁自動控制等，對比人工加工方式，具有更高的加工精度，操作方法和保養流程較為簡單。

主軸傳動和控制設計。主軸傳動動力來源有兩種：一是采用交流主軸電動機，二是采用直流主軸電動機。交流主軸電動機的控制精度和自動控制能力均優于直流電機，但是在電機處于較低轉速時會出現工作不穩定的問題。直流電動機具有良好的工作穩定性，但是控制精度不夠理想。因此，直流伺服電動機是一個理想的選擇，直流伺服電動機具有良好的機械線性控制功能，可以作為車床主軸傳動的動力來源[2]。在主軸傳動系統中加入編碼器，可實現對主軸轉速和轉向的自動控制，同時，安裝的同步齒形傳動皮帶，可實現對數控系統的反饋控制。

絲杠設計。常規的傳動絲杠用于手動車床，在車床啟動加工過程中，絲杠的穩定性對于工件加工的精度影響較大，所以傳動絲杠對于數控車床并不適用。本文設計絲杠時，采用滾珠結構，滾珠絲杠具有極佳的耐磨損性能，工作可靠性高，使用壽命長[3]，在車床啟動過程中不會發生較大的上下振動，加工過程平穩。

1.2 ? ?電氣系統設計

電氣系統設計需要實現的功能包括對車床各種電路元件的連通和斷開控制、電路的過載保護、電動機的智能控制等。電氣系統需要控制的電動機包括液壓泵電動機、主軸電動機、垂直刀架位移電動機、側刀架位移電動機、橫梁位移電動機。

主控制電路設計。主控制電路是實現車床自動化控制的重要部分，主控制電路元件主要包括熔斷器、電路開關、交流接觸器、低壓斷路器、繼電器等。主控制電路實現對各種電動機、冷卻泵、冷卻風扇、變壓器等的過載保護和通斷控制。

能耗制動電路設計[4]。這是本文電氣系統設計的一大特色，不采用直接斷開電動機電路的方法進行制動，直接斷開電路，電動機會由于轉動慣性繼續轉動一段時間，這對于工件的加工精度具有較大影響。能耗制動是通過將交流電切換到直流電，使電動機反轉，利用慣性產生制動力矩實現對電動機的精確制動。能耗制動電路的設計，可以使電動機即開即停，從而提高工件加工精度。

1.3 ? ?控制系統設計

根據需要，立式車床將控制系統分成4個模塊：編程模塊、編譯模塊、執行模塊、通信模塊。編程模塊具有圖形庫管理、梯形圖編輯、指令語句編輯功能;編譯模塊具有指令表管理以及梯形圖編譯功能;執行模塊具有程序指令的檢查執行以及數據的輸出功能;通信模塊具有編程結果的讀取以及數據輸出的控制功能。

2 自動化控制過程分析

2.1 ? ?控制流程分析

在立式車床開始啟動后，會優先啟動橫梁控制系統。首先，橫梁進行上下移動調整放置工件的位置，此時橫梁的夾緊機構放松，當工件擺放位置正確時，夾緊機構固定工件并進行下一步操作，開始刀架的控制流程。刀架控制流程中，先選擇使用垂直刀架或者側刀架，選擇完畢后，刀架執行快速進刀調整工作，調整刀具與工件的相對位置，確定進刀速度和進刀方向。最后進入主軸的控制流程，此過程中先對主軸變速進行測試，測試成功后對主軸制動進行檢查，并對主軸點動進行調整，之后就可以進行工件加工工作。

2.2 ? ?PLC硬件電路設計

2.2.1 ? ?能耗制動控制電路

能耗制動控制電路包括的電子元件有主接觸器KM1、能耗制動接觸器KM2、連通開關K1/K2、時間繼電器KT、熱繼電器FR、電動機M。能耗制動控制電路的控制過程如下：首先連通開關K1接通，主接觸器KM1線圈通電，電流經過熱繼電器FR，電機進入正常工作狀態。斷開連通開關K2，主接觸器KM1線圈斷電，主電路切斷，能耗制動接觸器KM2和時間繼電器KT進入工作狀態，此時電動機是直流供電狀態并且轉速較低，經過極短的時間電動機停止工作，斷開能耗制動電路，能耗制動接觸器和時間繼電器均停止工作。

2.2.2 ? ?啟動控制電路

本文設計的啟動控制電路是星三角控制電路，是一種低壓啟動控制電路，這種啟動方式可以降低設備漏電風險。為了實現對車床的低電壓啟動控制，需要選擇的電子元件包括啟動開關QF、熔斷器、接觸器KM、三角形接觸器KM1、星形接觸器KM2、驅動電動機M、隔離開關K1/K2。啟動控制電路圖如圖1所示，連接開關QF，KM和KM△線圈通電，KM△-1和KM△-2閉合，電動機線圈為星形接法（星形接法是指電機繞組三相末端接在一起），KM△-3斷開，KM△和KMY處于互鎖狀態，KM-1閉合互鎖裝置，KM-2閉合，電機線圈從星形接法開始轉變成三角形接法，KM-3閉合電機開始運轉，此時電動機依然為星形連接狀態。時間繼電器KT的延時時間到達后觸點開關斷開，KM1線圈斷電，KM△-1和KM△-2斷開，KM△-3閉合，此時KMY線圈通電，KMY-1斷開，時間繼電器線圈斷電，KMY-2斷開，保證KM△處于自鎖狀態，KMY-3閉合，電動機線圈為三角形連接狀態，電動機需要停止工作時，按下隔離開關SB2才能使所有線圈斷電。

3 結語

本文根據立式車床的工作特點以及實際工作需要，設計了全新的PLC控制電路，取代傳統的繼電器控制電路，不僅提高了工件的加工質量和加工效率，而且避免了加工過程中出現人為誤差，該控制方式具有廣闊的應用前景。

[參考文獻]

[1] 皮坤，劉洪具，王合寬.基于PLC的冶金起重機安全遠程集控管理系統[J].通訊世界，2020，27（7）：191-192.

[2] 張小紅，曹英健.航天電液伺服系統直流無刷電機控制驅動策略研究[J].液壓氣動與密封，2020，40（3）：27-31.

[3] 李帥，馮春花，白國振，等.滾珠絲桿伺服進給系統的聯合仿真與試驗[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（6）：12-15.

[4] 任相強.伺服驅動器能耗制動熱過載保護方法[J].國外電子測量技術，2018，37（8）：90-94.

收稿日期：2020-08-21

作者簡介：黃爽（1976—），女，浙江臺州人，碩士，講師，研究方向：機電設計及控制。