高速銑削實驗臺控制系統的設計與應用

吳 碩

（遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧沈陽 110161）

0 引言

隨著科技進步不斷發展，高速銑削加工技術廣泛應用于機械加工眾多領域。高速銑削技術由于切削機理改變，因此具有切削力低、熱變形小、材料切除率高、加工精度高、加工成本低等優勢[1-3]。切削力和切削溫度等加工參數是研究高速銑削技術的關鍵內容，通過對切削力和切削溫度參數的實驗研究來選擇切削刀具、控制切削用量和制定切削路徑對高速銑削加工是十分必要的[4-6]。但目前切削力、切削溫度檢測采用的是一套相對獨立的控制系統，在實驗教學中需要對實驗臺本體進行重新架構和連接，因此不僅增加了硬件設備擴展支出，而且也不利于實驗內容的一體化開展。

針對上述問題，圍繞實驗室現有銑削加工設備，搭建一個可實現自動加工的高速銑削實驗臺，設計開發一套“HMI+PLC”的實驗臺集成控制系統。通過對實驗臺工藝要求分析，給出實驗臺集成控制系統硬、軟件結構設計方案，完成切削力和切削溫度檢測實驗，驗證了切削加工三要素影響切削力、切削溫度的理論依據。該實驗臺用于教學中，不僅可滿足相對簡單高速切削實驗的需求，還能提高機電類學生機電聯調的工程實踐能力。

1 實驗臺總體結構設計

1.1 機械結構設計

實驗臺在工藝要求上不僅要滿足主軸轉速在10 000 r/min以上的高速銑削加工功能，而且還要實現工作臺X、Y、Z三軸的運動控制，并在加工過程中實現自動換刀[7-9]。基于上述要求，結合加工中心的機械結構，設計了高速銑削實驗臺機械結構方案，其機械結構示意圖如圖1所示。

圖1 高速銑削實驗臺機構示意圖

主軸系統：實驗臺的主軸采用內裝式電主軸，電主軸的最高轉速是20 000 r/min，功率是15 kW。在主軸尾端同軸配置旋轉編碼器，實現主軸準停功能，并能檢測主軸方向和速度。

進給系統：實驗臺的X、Y、Z軸進給由步進電機驅動滾軸絲杠實現。其中X、Y軸電機實現的是在橫、縱兩個方向實現快速定位功能。Z軸電機實現的是換刀時主軸回原點及確定切削深度功能。

刀庫系統：實驗臺配備BT30-20圓盤式刀庫，刀庫容量為20套，刀具中心距410 mm，滿刀時刀具最大直徑60 mm，刀具最大長度250 mm，最大刀具重量5 kg，整個自動換刀機構由換刀機構、刀庫本體和換刀臂組成[10-11]。

1.2 控制結構設計

本實驗臺不僅要實現主軸電機、多軸進給電機、自動換刀等數控加工功能，還要實現切削力、切削溫度檢測功能。因此，結合現有實驗條件，綜合考慮實驗靈活性、經濟性、擴展性，采用基于以太網通訊下的“HMI+PLC”的控制方案，如圖2所示。通過HMI（人機界面）輸入實驗臺的主軸轉速、定位坐標、進給距離、換刀號等控制數據，經以太網通訊給PLC來完成實驗臺數控加工和力、溫度檢測功能，并實現良好的人機界面交互和數據管理。

圖2 集成控制系統工作原理圖

2 控制系統硬件結構設計

2.1 控制核心選取

實驗臺控制系統采用西門子公司S7-200 SMART ST40小型PLC為控制核心，主要由運動控制系統（步進、變頻）、面板操作系統（按鈕、開關、刀庫選擇）、溫度和力檢測系統（測力儀和熱電偶）、HMI人機界面等部分組成，其硬件結構框圖如圖3所示，其主要功能如下[12-13]：

圖3 集成控制系統硬件結構圖

系統通信：通過PLC本體集成以太網接口，外接工業交換機實現PC、PLC、HMI自由通信。

電機控制：通過本體集成的4路單相100kHz或2路A/B相50 kHz高速計數輸入對編碼器脈沖反饋計數，實現主軸電機速度和位置控制；本體集成的3路100 kHz高速脈沖輸出可實現X、Y、Z三軸步進電機運動控制。

模擬量輸入/輸出：由于本體沒有配備模擬量控制單元，因此需外接擴展單元EMA03模擬量模塊（2AI/1AO），實現力和溫度模擬量輸入檢測、G120變頻器模擬量頻率控制。

面板控制：本體集成40路I/O點，可實現面板輸入操作的數據采集及系統狀態顯示輸出控制。

2.2 運動控制系統

系統采用S7-200 SMAT ST40晶體管輸出類型PLC做步進電機三軸定位控制。選用西門子公司M542步進電機驅動器，驅動器調整完細分后為1600個脈沖旋轉一圈，通過絲杠傳動，電機每旋轉一圈負載位移為2 mm。由于PLC編程軟件WIN SMART中配置了運動控制向導功能，系統自動配置了脈沖和方向的接口，只需按規定接口連接相應驅動器和PLC，如圖4所示。

圖4 步進控制系統接線及硬件組態

根據主軸電機銘牌數據和實驗臺要求，系統采用西門子G120變頻器對主軸電機進行速度和位置控制。其中速度控制既可采用模量輸入控制也可采用不同現場總線進行通訊控制，考慮到后續編程調試的難易程度，我們采用模擬量控制變頻。因此，需要將G120變頻器的模擬量輸入端子與PLC模擬量擴展模塊的輸出端子連接。

與主軸電機同軸配置歐姆龍E6B2-CWZB A/B相輸出增量編碼器做主軸高速脈沖計數。在WIN SMART中啟用高速計數向導功能，設置高速計數HSC0，模式9后，編碼器A相和B相自動分配給PLC輸入點I0.0和I0.1，如圖5所示。由于主軸電機最高轉速為30 000 r/min，結合減速比（1∶10） 和編碼器線數（500線），通過計算PLC輸入點脈沖捕捉頻率為2.5 kHz，因此需設置PLC脈沖輸入時間0.2 ms。

圖5 變頻控制系統接線及硬件組態

2.3 力和溫度采集系統

分別采用壓電式銑削測力儀和自然熱電偶法進行切削力和切削溫度的測量。測力儀和熱電偶采集到的電壓信號經相應的濾波和放大后用輸入PLC模擬量輸入模塊。由于兩者輸出的是電壓信號，因此需要找出力、溫度與輸出電壓的關系。采用一元線性回歸處理法獲得標定系數方程[14]，獲取電壓與力和溫度的關系，其中：

式中，a為回歸系數，b為回歸常量，F為加載力值，U為輸出電壓值。

3 控制系統軟件設計

結合集成控制系統硬件配置和實驗臺工藝要求，系統軟件總體設計包括HMI應用程序和PLC控制程序兩個組成部分。

3.1 HMI應用程序設計

HMI程序主要完成相關加工參數的運行設置、狀態顯示及數據存儲、分析等功能。在WINCC觸摸屏軟件中，通過I/O變量完成上下位機數據的交換，從而實現內部數據的計算和處理。人機界面設計時，通過變量數據庫中定義各變量在畫面的控件和命令語言即可使用所定義的變量，觸摸屏畫面設計如圖6所示。

圖6 HMI（觸摸屏） 畫面設計

3.2 PLC程序設計

PLC程序主要實現實驗臺的運動控制、換刀控制、切削參數檢測等功能。PLC程序采用模塊化的設計方法，根據系統功能分別編寫初始化、報警、點動、回原點、定位、進給等子程序模塊，如圖7所示。主程序開始執行時，首先調用初始化程序，包括各寄存器復位、電機回原點等功能。然后調用報警子程序，監測實驗臺初始化后是否存在相應的故障現象。最后按照工藝執行順序分別調用定位、進給、主軸、刀庫控制等子程序。通過定時中斷程序來調用切削參數采集子程序，采樣周期可以由定時時間予以確定。

圖7 PLC主程序流程圖

4 集成控制系統調試

4.1 面板和觸摸屏調試

考慮到實驗教學的針對性和適用性，我們圍繞機電類專業核心實驗內容：運動控制和切削檢測部分進行安裝與調試，系統面板運行和人機界面如圖8所示。打開系統總電源，按下啟動按鈕，分別按下正轉、反轉、前、后、左、右移動的點動按鈕，工作臺按照相應的功能運動。下載HMI程序，打開HMI界面，在人機界面中分別輸入相應功能參數，點擊相應選項后，系統能夠按照人機界面輸入的參數完成加工運動控制和切削檢測功能，且人機界面能夠實時顯示實驗臺的加工狀態和切削參數。

圖8 系統運行界面

4.2 切削功能測試

對切削力和切削溫度的實驗參數采集分析對高速銑削加工是十分必要的。按照實驗設定參數輸入背吃刀量ɑp、進給量f、銑削速度vc的數值進行三組高速銑削實驗，從上位機HMI導出相應數據并繪制圖像（如圖9所示）。

圖9 切削溫度、切削力影響因素

從圖像中我們可以看出背吃刀量ɑp、進給量f、銑削速度vc三者與切削力和切削溫度具有一定關聯。對于切削力而言，當背吃刀量與進給量的增加（減少）會導致切削力增加（減少），且進給量影響因素更大。反之，當切削速度增大（減小），切削力相應地減小（增大），這與切削溫度的變化和積屑瘤的產生和消失有一定關聯[14]。反觀切削溫度，當切削速度和進給量增加（減少），切削溫度隨之上升（降低），且切削速度變化促使切削溫度變化顯著。但背吃刀量對溫度影響較小，這是因為背吃刀量變化時，散熱面積和產生的熱量亦作相應變化，因此溫度上升不明顯[15]。因此，上述實驗結果也直接驗證了切削加工三要素影響切削力和切削溫度的理論依據。

5 結束語

利用現有高速銑實驗平臺硬件條件，設計了基于HMI+PLC實驗臺集成控制系統，詳細介紹了該實驗平臺在運動控制、換刀控制、檢測控制等方面設計與應用，并將當前工業自動化控制熱點技術融入實驗中。通過系統安裝調試，實驗臺不僅能夠實現高速銑實驗的自動加工功能，還能對切削力和切削溫度進行檢測分析，進一步驗證切削加工相關理論依據，更提升了學生實驗設備改造的創新思維和機電聯調的工程應用能力。