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PLC和交流伺服在數控鉆銑床中的應用
2006-5-29 13:45:23 未知來源 供稿
作者：谷保艷 轉載《電氣時代》2006-5
摘要：本文通過介紹用國產PLC及交流伺服控制系統成功制做數控鉆銑床，論述了該設備的系統構成、硬件配置和針對實際產品工件加工時程序的設計。
關鍵詞：數控鉆銑床；PLC；交流伺服；變頻器；主軸
引言：在新開發的產品中有一個型號為Q7的長條鋁基臺，要在上面加工兩個φ3.7×1.65的平底盲孔，由于要求精度高，批量大，故無法用傳統的鉆模在鉆床上加工，也很難在傳統銑床上面加工，即使能加工效率也很低，并且設備損耗和電力損耗也很大。此工件的加工有著非常廣泛的代表性，生產的很多產品有著類似的要求，為此，我們設計制做了一臺用于此類產品加工的設備——通用型數控鉆銑床。
一、系統概述
系統構成如圖1所示，控制部分采用PLC，并配以人機界面進行程序參數修改、設定，
以及運行狀態顯示監控，可編程設置人機界面的內容。三軸均為全數字交流伺服系統，各軸伺服電機通過連軸器帶動滾珠絲杠，以移動配有直線導軌的工作臺和主軸銑頭，其定位準確，速度快。主軸銑頭由變頻器控制，根據刀具及工件和進給量，來設置主軸合理的轉速，并在程序中設定它的啟動停止。各軸均設二端極限傳感器和原點傳感器，冷卻和潤滑也都有異常檢測，在報警燈和人機界面處顯示報警信息。為便于調試和檢修，各項操作均設手動功能，如手動各軸快慢移動、主軸高低速旋轉、切削液及潤滑開關等。此機床整體雖為半閉環控制，只要選件、裝配、程序編制及操作合理，精度和穩定性還是能滿足使用要求的。
二、硬件配置
PLC選用永宏的FBS-40MCT，該型機具有較高的性價比，體積小，功能強，24點輸入，其中有16點高速計數器，頻率可達120K，16點輸出，其中有4軸步進或伺服輸出整合在里面，輸出頻率可達120K，使應用起來非常方便，接線簡捷。編程軟件WinProladder有梯形圖大師之稱，易學易用且功能強大，編輯、監視、除錯等操作非常順手，按鍵、鼠標并用及在線即時指令功能查詢與操作指引，使編輯、輸入效率倍增。
接點分配：取各軸伺服電機的Z相信號作原點開關，要分接在幾個高速輸入點上，用中斷進行機床原點復歸，其余限位開關、操作開關、液位檢知等常規接點可按順序依次接入。X、Y、Z三軸伺服電機連在前3軸伺服輸出點，主軸高低速、冷卻、報警等接在其余輸出點上。
X、Y、Z3軸伺服系統均選用相同的，和利時的ES系列全數字交流伺服驅動器0040E-CBCEE-02，和60系列小慣量的伺服電機60CB040C-2DE6E。該伺服系統功能比較完善，如能耗制動、電子齒輪、自動加減速等，具備多種脈沖串輸入，保護功能也比較完備，有欠壓、過壓、過流、過載、堵轉、失速、位置超差、編碼器異常等。在此設備中按集電極開路驅動方式連接至PLC，最高脈沖輸入頻率為200K,伺服ON、Z相信號等也做相應連接。
變頻器選用富凌的DZB70B0015L2A，規格為單相1500W，400Hz，有多步速供編輯使用。由于正常使用時不頻繁變速，故速度調節設定不引出，只在變頻器操作面板上調節，設定兩個速度，高速用于加工，低速用于對刀。調節相關參數與主軸匹配，如基頻、基壓、運行頻率上限、載頻等，并改動相應跳線。
主軸沒有采用傳統方式，而是根據加工需要，采用了雕刻機用的電主軸，安陽萊必泰的ADX80-24Z/1型，其體積小、噪音低，直徑只有80mm,這樣使整個主軸箱便于整體密封，可有效地防止加工中的碎屑飛濺到Z軸的絲杠和導軌上造成損害，也使主軸箱外表顯得美觀。它的最高轉速為24000轉/分，使正常工作轉速6000-14000轉有一個合適的余量范圍。
人機界面選用人機電子的通用可編程文本顯示器MD204L，它可以以文字或指示燈等形式監視、修改PLC內部寄存器或繼電器的數值及狀態。
三、軟件設計
機床工作的流程圖如圖2所示，開機后先檢測手動開關是否有效，若手動開關有效
即利用各手動控制開關執行手動操作的項目。若手動開關無效，則啟動原點復歸程序，各軸進行機床原點復歸，先回Z軸再回其它兩軸，當所有軸都原點復歸成功后才能進行到下一步。若刀具和工裝夾具、工件程序均沒有變動，可復位到加工預備狀態而不進行對刀，若需對刀，則打開對刀開關啟動對刀程序，3軸分別對刀，即找工件原點，利用手動各軸移動開關快慢移動各軸，使工件的三個面分別碰觸低速旋轉的刀具，剛好碰上為止。對好后，按對刀OK確認，再輸入刀補，經過程序處理，即形成工件原點也就是編程0點，編程時根據此0點按照圖紙計算刀具路徑，可使操作者思路清晰，編輯運算簡單。操作者編輯的是用戶程序，可以編輯刀具軌跡，就是各軸移動坐標，還有移動速度、循環加工時的循環次數等。編好程序后或使用當前程序時，即復位到預備狀態：各軸移動到初始位—一個合適的位置，裝卸工件方便、不易碰觸刀具時，裝上工件，按啟動即可開始加工，主軸運轉，冷卻液開，各軸按程序設定坐標移動。當加工結束時，機床復位，即各軸又移動到初始位，主軸停，冷卻關，這時可卸下工件，完成加工過程。
工件的加工流程圖如圖3所示，以Q7產品為例，胎具上一次裝夾15只工件，那么
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就有30個φ3.7的平底盲孔需要加工，刀具選用φ3.7的2刃鎢鋼立銑刀，鉆削加工，鉆削深度1.65mm。在預備狀態時緊靠工作臺上的定位固定好胎具，按啟動后，主軸旋轉，待主軸即將達到額定轉速時，X、Y軸同時運轉到第一加工工位，也就是第一個孔的X、Y工件坐標值，此時冷卻液打開、Z軸快速下降到加工區，即銑刀端面即將觸及工件加工面，迅速變用緩慢的工進速度開始鉆削加工。當加工深度到達設定深度（1.65mm）時，Z軸帶動銑刀迅速抬起，抬起的高度為銑刀端面水平方向上碰觸不到工件及胎具為準。計數器加1后程序進行比較運算，判斷加工是否完了，如否，則X、Y軸繼續運轉到下一加工工位，再重復Z軸下降加工動作。如加工完了，產量計數器加數、主軸停轉、冷卻液關閉，同時發出5s聲光報訊，用以提醒操作者，各軸移動到初始位：Z軸到上端；X軸到左端；Y軸到外端。卸下胎具后，一個加工周期完成，裝上胎具再按啟動即開始進行下一輪加工。
四、一些著重的電氣措施
1.主回路加裝漏電斷路器，相應回路都安裝合適的斷路器。
2.PLC和伺服系統的電源處都分別加有電源濾波器。
3.各直流繼電器線圈都并接反峰二極管，交流接觸器線圈并接阻容吸收回路。
4.潤滑、主軸冷卻都設液位低報警器。
5.伺服控制線、人機界面通訊線等使用屏蔽線，并遠離電源線。
6.在拖鏈內走線，使用耐折的柔性電纜，并盡量增大拖鏈的彎曲半徑。
7.變頻器與PLC、伺服驅動器等保持一定距離。
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