基于自動化技術的機床電氣控制系統改造的設計研究＊

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（柳州鐵道職業技術學院，廣西自治區柳州545616）

傳統的機械加工設備自動化程度低，但在許多中小企業還是主要設備，受投入成本限制，不能及時更新換代。廣西的制造業中小微企業眾多，其發展除設備更新，人才的培養也是重要一環。本課題是基于自動化專業技術人才培養的需要及滿足小企業設備自動化改造的需要，是在機械生產設備繼電控制的基礎上，加裝控制器、變頻裝置及顯示裝置進行配置改造，減少繼電元器件和線路的使用，滿足智能制造技術專業實踐教學的需要，提高生產設備的能效。現以用于磨具加工的銑床為例說明方案和特點技術優化點：

1 銑床拖動系統的特點及控制系統特點

控制銑刀轉動的電動機作為主運動電動機，它拖動主軸帶動銑刀給進給的工件銑削加工，有順銑和逆銑兩個方向。老設備使用倒順開關轉換，使用時需要停車換向，極為不便。工作臺進給電動機，拖動升降臺及工作臺進給，有用于圓形弧形加工的特制工作臺進給，有通過操作手柄完成的上下左右前后的六個方向進給。

1.1 繼電控制原理

1.1.1 主運動電動機的控制

由倒順開關SA3控制主電動機的運行方向，由于銑床體積大，其控制采用了多地控制的方式，在不同的部位分別設置了啟動按鈕和停止按鈕以及緊急剎車用的開關，以應對加工、變速、換刀等作業需要。

1.1.2 主軸換銑刀控制

銑刀是根據制造磨具的需要選擇，銑刀形狀多，也有直接加工的圓形銑刀。需要換銑刀時，為了避免主軸空動，也為了避免影響工效，應將主軸快速制動，同時切斷控制線路。方法是將開關SA1扳到制動位置，接通制動電磁離合器，同時切斷控制電路防止接觸器誤動。

1.1.3 主軸變速系統的改造

加工過程中的速度選擇采用了傳統的齒輪傳動變速方式，體積大，結構復雜，容易引起機械故障。應用變頻器進行主電動機輸出速度控制更方便高效，變頻器的應用是機械設備結合自動化技術的平臺，同時給多學科實踐應用，還能很好地實現不同課程融合。

1.2 進給電動機啟動原理

工件的移動分別在兩種狀態進行，一種是在銑削狀態，即主軸電動機對磨具正在銑削時，工件變速緩慢移動，進給電機配合加工。二是快速移動狀態，屬于非加工時段，工件移動速度較快，節約時間，提高效率。

1.2.1 附加工作臺

附加的工作臺是擴大加工類型，滿足異形零件的加工要求。使用附加工作臺專用開關連接，將開關SA2扳到“接通”位置，則金屬觸頭閉合，在啟動主軸電動機的同時，進給電動機變更為單向控制運行。改造后由控制器輸出端向變頻器發出指令，完成對附加工作臺的控制。

1.2.2 升降臺和操作手柄的配合

直線型的進給運動由左右進給操作手柄控制。直線型的加工一般有六個方向，其結構復雜，操作人員必須非常熟練，多個環節的機械構造也較為嚴密，電氣線路也很復雜，通常故障多，處理困難，修理工時也長，需要停工檢修，影響了生產。以加工傾斜面為例，手柄壓下行程開關SQ5（右）或SQ6（左），使開關的金屬觸頭分斷，另一觸頭SQ5（右）或SQ6（右）閉合，控制器給出信號，電動機M2正轉或反轉。由于機械聯動的作用在手柄完成對行程開關SQ5或SQ6被壓合，同時，通過機械桿件的作用已將電動機M2的傳動鏈與工作臺下面的左右進給絲杠相搭合，所以電動機M2的正轉或反轉就拖動工作臺向左或向右運動，同時升降臺也在不斷升降。

1.2.3 工作臺的上前和下后方向控制

工作臺的上前和下后進給運動是由一個手柄控制的，可以在加工螺旋面時使用。該手柄與行程開關SQ3和SQ4聯動，選擇不同位置觸碰開關不同，與SQ3和SQ4無觸碰壓合時，停止進給運動。改造后電動機的運行方向由變頻器信號控制，行程開關觸頭信號接入控制器輸入端，控制器輸出信號給變頻器作為特征信號。

1.2.4 進給的多種速度選擇

和主軸變速類似，進給變速時也不再使用變速盤，而使用第二臺變頻器進行控制。在進行參數設置時，要根據磨具的材料來決定，所加工的工藝復雜程度不同，速度選擇不同。通過對不同的參數設置，進給的速度靈活變換，提高加工精度，減少廢品率。

1.3 工件的快速移動

為了節省工時，銑床在磨具加工過程中，設置了兩個工作狀態，通過開關控制區分銑削狀態還是快速移動狀態。如果是快速移動時必須確認銑削開關處于關斷，同時控制器必須給出相應信號，接通離合器，還要鎖住主軸控制電路。銑削狀態下，即使銑刀不再轉動，也不能進行工件的快速移動。為確保安全，控制器兩種狀態輸出進行互鎖，即電磁離合器YC2失電，將齒輪傳動鏈與進給絲杠分離；KM5閉合接入控制器信號，一對使電磁離合器YC3得電，將電動機M3與進給絲杠直接搭合；另一對使接觸器KM3得電動作向變頻器發送信號，電動機可沿不同方向快速移動。

2 現代電氣改造方案

根據智能制造的設備需要，提高機械設備的自動化技術應用程度，系統改造拆除了大部分繼電線路，通過可編程控制器和變頻器的使用同時進行組態設計，使用觸摸屏界面進行操縱、拆除變速齒輪等機械結構復雜的教學部件，用變頻器進行電動機多段速控制，取代了原來的十種速度加工和進給。

2.1 銑削加工控制

使用控制器輸出信號通過接觸器主觸點對主軸電動機進行正反轉控制，通過人機交互界面MCGS（TPC7062K）觸摸屏向控制器輸送操作信號，完成主軸電動機控制。PLC輸入輸出均有必要的聯鎖和保護。

2.2 主軸電動機變速

使用變頻器實現主軸電動機的多段速控制，取代大小齒輪變速控制，可以減少機械故障。而變速加工是為了適應磨具的不同材質對加工工藝的要求，提高磨具表面精度和光潔度。

2.3 進給控制的改造

2.3.1 擴大加工范圍的改造

使用PLC及觸摸屏實現對KM3的控制，輸入端由SA2向控制器輸入信號進行圓形和弧形加工，輸出端是KM3，對進給電動機進行連續一個方向的運行控制，適用于磨具圓形面的加工。

2.3.2 六個方向的進給控制的實現

使用PLC和觸摸屏完成六個方向的進給控制，輸入信號分別為SQ3、SQ4、SQ5、SQ6，輸出信號為KM3、KM4，通過KM3、KM4吸合實現進給電動機的正反轉，再配合升降臺的機械操作完成六個方向的進給。

2.3.3 工件的快速移動控制的實現

工件的快速移動是通過輸入信號SB3給控制器，控制器輸出端接KM3，使用PLC對KM3控制，再配合六個方向的進給控制，完成工件的快速移動。

2.3.4 進給的變速

使用變頻器窗口完成進給電動機的多種速度參數輸入，通過變頻器參數的選擇，實現電動機的多段速控制。

2.3.5 擴展功能

在觸摸屏界面設計時，電動機窗口可以完成技術參數的選定，用來進行拖動控制技術的實踐應用。

3 系統硬件設計

系統的設計改造主要是為了滿足智能制造技術專業實訓教學要求，需要增加的硬件設備有：控制器及附屬設備、變頻器及數模轉換單元、觸摸屏，還能擴展加裝各類電動機及驅動器，X62W銑床智能實訓考核單元，該系統可以進行多學科實踐教學和考核。

3.1 系統設備框圖

硬件系統包括：電動機和離合器電路、控制器環節、組態技術應用環節、E740變頻器調速環節，如圖1所示：

圖1 硬件系統結構圖

3.2 可拆卸的銑床接觸器控制板

本設計為了進行操作項目考試，將接觸器及指示電路做成可拆卸方式考核單元，只要修改參數和改變連接線路就可以共用主柜，用于多個機床控制電路的考核。

3.3 電動機電路設計

由于使用了變頻器對電動機速度控制，滿足加工變速的要求，電動機連接電路如下，離合器作為電動機電路的一部分，單獨使用直流電控制，如圖2所示。

圖2 電動機接線圖

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括控制器設計、組態設計、變頻器參數設定等內容，這部分可以做為學生進行相關課程實踐的窗口。

4.1 PLC輸入輸出分配表

可編程控制器采用三菱端子分配如下表1所示：

表1 三菱PLC端子分配表

4.2 電氣原理圖

采用的三菱FX3U-64MRPLC控制電路圖如圖3所示，PLC主控連接主軸變頻器和進給變頻器，電源端連接220V電壓。

圖3 PLC控制電路圖

4.3 觸摸屏主界面設計

觸摸屏作為人機交互的主要方式，作用是為操作者提供合理化的使用界面，自動化技術的機床電氣控制系統觸摸屏主界面如圖4所示，它將主軸電動機、冷卻泵電動機和進給電動機清晰地展示出來，通過操作按鍵進行單獨控制。

圖4 觸摸屏主界面

4.4 變頻器設計

變頻器設計主要是提供學生進行變頻器技術應用實踐訓練的窗口，是通過變頻器電路連接與參數設置，完成電動機多段速控制電路實踐訓練，同時它又是機床電氣控制系統的重要部分。

（1）選擇對應的設定來確定控制模式。根據所使用的電機，在主運動驅動電機和進給電機中進行相應設定，在電機容量中設定所使用電機的容量（功率）、極數。

（2）計算運行速度，并通過接點端子來切換速度時使用。用接點信號（高速信號、中速信號、低速信號、REX信號）的1、0操作即可以選擇各個速度。多段速控制如下圖5所示：

圖5 多段速控制

（3）點動運行時設定點動運行用的頻率和完成加減速時間核查。點動運行通過機械觸頭控制。可以用于機械的位置調整和試運行等。

4.5 電動機在觸摸屏窗口的參數設定

通過觸摸屏的電動機圖標窗口輸入電動機類型、規格等數據，學生通過這個窗口了解電機的參數選擇方法。

4.6 改造裝置的多學科實踐教學和考核設計

本設計包含了多門課程的綜合實踐環節，目前已經可以進行實踐訓練的課程包括電氣控制技術應用、PLC編程實踐、變頻器技術應用實踐、電機與拖動技術實踐、組態應用實踐。同時還對銑床的電氣裝置設置了考核模塊，用于故障設置和排查練習，完成實踐課程的考核。所設計的自動化技術機床電氣控制系統電器柜內部布置圖如圖6所示，考試單元所用的考試模板如圖7所示。

圖6 電器柜內部布置圖

圖7 考試模板

5 結束語

本設計是基于現代電氣的既有機床電氣控制系統的改造，對于技術升級，完成舊設備改造，適應新專業教學要求具有重大意義。本設計改造使用了三菱系列可編程控制器、三菱系列變頻器、HMI，可以進行可編程控制器應用技術、變頻技術應用、組態技術應用等實踐教學。通過設備改造利用原有教學設備完成教學內容改革，實現技術升級，節約教學資源，減少投資，將有限的資金用在更需要的地方。