PLC 在非數(shù)控機床轉(zhuǎn)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(nèi)蒙古一機集團精密設備維修安裝公司，內(nèi)蒙古包頭 014032）

0 引言

主軸是機床高速旋轉(zhuǎn)的運動機構(gòu)，是機床的關鍵部件，其性能直接影響零件的加工質(zhì)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(zhuǎn)速；另外對非數(shù)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(xiàn)非數(shù)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(chǎn)W160HC 鏜銑床原設備控制系統(tǒng)為繼電器控制系統(tǒng)，機床經(jīng)過多年的使用，高低壓電氣元件、線路、直流調(diào)速裝置等功能部件等已嚴重老化，加工過程中隨機性的發(fā)生故障，給正常生產(chǎn)加工造成障礙，使用效率低下，機床處于非連續(xù)性加工狀態(tài)，為了充分發(fā)揮機床效能，擴展和延續(xù)機床的使用壽命，我們成功的對其進行電器系統(tǒng)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(shù)控機床轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的運動機構(gòu)，是機床的關鍵部件，其性能直接影響零件的加工質(zhì)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(zhuǎn)速。機床主軸的變速一般采用電器調(diào)速、機床主軸變速箱換擋變速或兩者結(jié)合來實現(xiàn)。電器調(diào)速直接采用變頻調(diào)速或直流調(diào)速等方法改變電機轉(zhuǎn)速從而達到改變主軸轉(zhuǎn)速的目的；變速箱換擋變速則是電機轉(zhuǎn)速恒定，采用不同的齒輪組合實現(xiàn)主軸輸出幾擋不同的轉(zhuǎn)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?qū)χ鬏S切削性能的要求，充分發(fā)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(shù)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(shù)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(xiàn)不同的齒輪組合，換擋機構(gòu)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(chǎn)生4 擋轉(zhuǎn)速，并在擋內(nèi)進行無極調(diào)速，主軸箱內(nèi)安裝4 個擋位檢測開關（21SQ1～21SQ4）。

為實現(xiàn)非數(shù)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(zhuǎn)速范圍。控制系統(tǒng)依據(jù)不同的擋位給主軸驅(qū)動裝置發(fā)出不同的模擬量給定電壓，對應主軸電機不同的轉(zhuǎn)速。

2.2.1 實施步驟

在觸摸屏上激活“主軸監(jiān)控畫面”，界面如圖1 所示。

圖1 主軸控制畫面

轉(zhuǎn)速輸入框中鍵入需要的轉(zhuǎn)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(tài)會在屏幕上顯示;“轉(zhuǎn)速監(jiān)控”反饋當前的主軸旋轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)的。PLC 接受到觸摸屏發(fā)出的轉(zhuǎn)速命令，并根據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速所需的模擬量給定電壓（DC 0～10 V）到直流調(diào)速器，控制主軸電機達到所需的轉(zhuǎn)速；如需換擋先檢查主軸與進給電機是否處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，如果未停，PLC 先向進給軸發(fā)“進給保持”命令，使進給軸停止，2 s 后向主軸發(fā)“主軸禁止”命令，使主軸停止。主軸與進給軸停止后，根據(jù)目標擋位，給相應的換擋液壓油缸（23YV1～23YV4）發(fā)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(zhuǎn)速，PLC 會根據(jù)換擋之前機床的狀態(tài)，控制主軸開始自動旋轉(zhuǎn)，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(tǒng)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(zhuǎn)速范圍0～12 r/min，轉(zhuǎn)速比：1500/82，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍12～37 r/min，轉(zhuǎn)速比：1500/25,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍，并與觸摸屏輸入的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)中繼信號）為1 時，把+27648 傳送給局部變量LD24,M2.1（主軸反轉(zhuǎn)中繼信號）為1 時，把-27648 傳送給局部變量LD24,當前擋位轉(zhuǎn)速比的臨時變量LD22 與LD24 相乘，結(jié)果傳送給臨時變量LD20，LD20 取整后傳送給LD28，LD28 由雙字轉(zhuǎn)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(diào)速器，控制主軸電機的達到所需的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)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(jù)該機床的主軸換擋結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制系統(tǒng)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(xiàn)非數(shù)控機床自動換擋與檔內(nèi)無極變速功能。最終調(diào)試的實驗結(jié)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(xiàn)象，為同類機床的主軸自動換擋與自動變速提供了借鑒經(jīng)驗。

圖6 PLC 程序2

3 PLC 在非數(shù)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(chǎn)加工過程中，為了提高加工質(zhì)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(shù)器對接收到的編碼器的脈沖進行計數(shù)。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(tài)與最終的輸出代碼對應需要通過外部脈沖計數(shù)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(xiàn)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(shù)機構(gòu)組成，其最大優(yōu)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(shù)的限制，計量范圍受限，且圈數(shù)越多，其結(jié)構(gòu)越復雜，體積就越大，成本也越高，不利于實現(xiàn)集成化和小型化，并且接線十分復雜，普通的PLC 無法實現(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(jiān)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(shù)值記錄到“保存位置”處；點擊“位置恢復”時，“保存位置”的數(shù)值更新至“當前位置”。

3.2.2 實現(xiàn)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(shù)器通道來進行位置信息測量，PLC 通過高速計數(shù)器采集并記錄增量式編碼器輸入的脈沖數(shù)量，通過一定的邏輯關系轉(zhuǎn)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(zhí)行相應的操作，來保證機床位置不受斷電影響，實現(xiàn)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(shù)，當達到程序中設定的反向間隙脈沖數(shù)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(shù)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(shù)器HSC0 的新當前值）中，使編碼器脈沖信號清零，當前位置也變?yōu)?；高速計數(shù)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(fā)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(fā)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(shù)傳送到SMD38中，對計數(shù)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(xiàn)了絕對位置測量功能。

3.4 實施效果

根據(jù)該機床的進給軸結(jié)構(gòu)，結(jié)合控制系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)有多圈編碼器因受齒輪圈數(shù)的限制導致結(jié)構(gòu)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(jīng)驗。

4 結(jié)束語

通過在捷克產(chǎn)W160HC 鏜銑床上實施電器系統(tǒng)升級改造，實現(xiàn)了下述功能，為非數(shù)控機床提高自動化水平與可靠性水平積累了大量經(jīng)驗。

（1）在非數(shù)控機床上實現(xiàn)了主軸自動換擋與自動變速功能，在執(zhí)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(xiàn)穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)定、主軸振動明顯，以及對傳動系統(tǒng)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(jīng)驗。

（2）實現(xiàn)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(xiàn)有多圈編碼器因受齒輪圈數(shù)的限制導致結(jié)構(gòu)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(jīng)驗。