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基於 PLC 的數控機床刀架控製係統改造

2021-1-21 來源：長江工程職業技術學院作者（zhě）：康永澤

摘要：本文擬就 FANUC 0i-F 數控實訓台中四方位回轉刀架，通過外部三（sān）菱 PLC 的控製，介紹刀架的工作原（yuán）理，同時也可提高工程技術人員排（pái）除（chú）或維護刀架水平，降低故障排除時間。

關鍵詞：PLC；電動刀架；主軸

1 、問題的提出

數控車（chē）床上使用的回（huí）轉刀架是一（yī）種較為簡單的自動換刀裝置，也是數控車床重要的組成部分，其應用（yòng）了自（zì）動控製、傳感檢測等方麵（miàn）的最新技術（shù），是典型的機電一體（tǐ）化產品。合理選配電動刀架，並正確地實施控製，能夠縮短故障排除時間，有效地提高生產效率。

根據不同加工對象，自動回（huí）轉刀架有四方刀架和六角刀架等多種形式。回轉刀（dāo）架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，並按數控裝置（zhì）的指令換刀（dāo）。回轉刀架在結構上具有良（liáng）好的強度和剛性，以承受粗加工時的切削抗力。目前刀架的控製，都是由 CNC 內置 PLC 或固化 IO 控（kòng）製完成，工（gōng）程技術人員理解刀架的（de）控製（zhì）比較困難，本文擬（nǐ）就FANUC 0i-TF 數控實訓（xùn）台中四方位回轉刀架，通過外部三菱 PLC 的控製，介紹（shào）刀（dāo）架的工作原理，同時也可提高工程技術人（rén）員排（pái）除或維護刀架水平，降低故障排除時間。數控車床（chuáng）回轉刀架動作的要求是：刀架抬起（qǐ）、刀架（jià）轉位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動作要求，要有（yǒu）相應的機構來實現。

2 、刀架的控（kòng）製

2.1 自動刀架工作（zuò）原理

①刀架電（diàn）動機（jī）正轉（zhuǎn），刀（dāo）架抬起。正轉時，電動機回轉運動通過蝸（wō）杆蝸輪機構，轉化為直線（xiàn）運動，刀架體向（xiàng）上移動。即刀架（jià）電動機正轉時，通過蝸（wō）杆和蝸輪機構（gòu）將驅動傳（chuán）給絲杠，絲杠軸頭固定裝有刀架轉位定位銷盤，刀架體內孔加工有內螺紋，隨（suí）著絲杠轉動，刀架體內彈簧定位銷入位，刀架體向上移動，刀架向上（shàng）抬起。當刀架體升至一定距離後，刀架體上（shàng）的端麵齒和刀（dāo）架底座上（shàng）的端麵齒脫開。當齧合齒脫開後，通過（guò）銷釘和止推槽（cáo）的作用，使得絲杠（gàng）螺母轉動進行換刀。隨著刀架的（de）轉動（dòng），刀（dāo）架體內刀位定位銷退出。②刀架電動機正轉尋位。刀架正轉進行尋（xún）位換刀，PLC 采集霍爾傳感器信號，與選定刀號（hào）比對，若傳感器信號與刀號相等，則刀（dāo）架停止尋（xún）位，即正轉停止。③電（diàn）動機反轉，刀架鎖緊。到達指定（dìng）刀位（wèi）時，刀架電動機停止（zhǐ）正轉，反向鎖緊，完成整個換刀的過程。

2.2 四方電動刀架的控製

四方電動刀架電（diàn）動機（jī）在電氣控製設計時要正、反轉互（hù）鎖，電（diàn）器元（yuán）件連接時勿接錯導線，還要注意（yì）電動機三相電源線的相（xiàng）序，實際中可采用相序繼（jì）電器進行判斷。刀架電動機在換（huàn）刀時（shí）必須先正轉後反轉，這是由四方電動刀架機械結構所決定的，否（fǒu）則會機械卡死，造成電（diàn）動機過載，損壞電動機。在 PLC 程（chéng）序設計（jì）中，若到位檢測信（xìn）號出現問題（tí），或霍爾元件損（sǔn）壞、刀位信號線斷等，則換刀可能（néng）不能結（jié）束，若（ruò）正轉或鎖緊時（shí）間過長，PLC 應有相應出錯處理程序，提醒操作人員進行檢修。電動刀架控製原理圖見圖 1，接線圖見圖 2。

圖 1 電動（dòng）刀架 PLC 控製原（yuán）理圖

圖 2 電動刀架（jià） PLC 控製接線圖

3、主軸的控製（zhì）

在實訓台（tái）改造過程中，我們充分利用現有設備，綜合考慮學（xué）生實際，采用變頻器實現對（duì）主軸的調速（sù）控製。變（biàn）頻器連（lián）接示意圖見圖 3。

圖3 變頻器與電動機連接示意圖

主軸電動機采用西門子 MM420 變頻器進行調速控製（zhì），MM420 係（xì）列有著高性能的 V/f 控製（zhì）性能，可提供低速高轉矩輸出和良好的動態特性，同時具有很強的過（guò）載能力，以滿足多種應（yīng）用場（chǎng）合。使用變頻器前（qián），須先熟悉變頻器的操作麵板，再根（gēn）據實際應用場（chǎng）景，對變頻器的各種功能參數（shù）進行（háng）設置。電機正反轉的控製方式可以有二種，一種是麵板控製，一種（zhǒng）是開關量端子（zǐ）控（kòng）製，兩種控（kòng）製方式（shì）不同，參數設置也不同。參（cān）數設置時（shí）應先恢複出廠值，再設電機（jī）參（cān）數。麵（miàn）板控製法主要參數設置：設 p1000 設為 2，開關（guān）量端子不接線，由變頻器麵板控製電機的正反轉。

開關量端子控製主要參數設置：變頻器 5、6、7、8 為開關量端子。設 p1000 設為 2，開關量端子 5 接（jiē）正轉控製（zhì）信號、端子 6 接反轉信號時，再設 p0701 為 1，端子 5 上高電（diàn）平電機正轉，低電平停機。設 p0702 為 2，端子（zǐ） 6 上高電平電機反轉，低電平停（tíng）機。後期根據學生的掌握情況，利用PLC 拓展為多段速控製。變頻器 MM420 主要參數（shù）設置如表 1 所示。

表 1 變頻器 MM420 主（zhǔ）要參數設置表（biǎo）

注（zhù）意事項：①接線後一定要參考手冊，認真複查，以防接線錯誤而燒壞變頻器，尤其是主電源線（xiàn）路；②在接線時，擰緊（jǐn）變頻器內（nèi）部力不要過大，以防損（sǔn）壞端子；③送電和停電（diàn）過程中一（yī）定要注意（yì）安全，特別是停電過程中，一定要讓變頻器充分放電，LED 全部熄滅才能打開蓋（gài）板，等待 5min 以上；④在輸入變（biàn）頻器參數時，一定要確認（rèn），以免發生（shēng）錯誤；⑤由於變頻器可以切換電機正反轉，所以必須注意使用的安全。在正/反轉切換時，根據電（diàn）機功（gōng）率和工作環境調整（zhěng）加減速時間。更改 P1040 和 P1058、P1059 的值，可改變電動機正常運行速度和正、反向點動運行速度。另外，為了檢測主軸電動機的轉速，可采用編碼器，其接線為圖 4 所示。

圖4 旋轉編碼器與PLC的接線圖

PLC 通（tōng）過高速（sù）計數器采（cǎi）集來（lái）自旋轉編碼器的信號，由程序計算主（zhǔ）軸電動機的轉速，從而實現對主軸電動（dòng）機轉速的精確控製。

4、 PLC 控製程序（xù）

①刀架正反轉（zhuǎn）控製梯形圖（tú）如圖（tú） 5。②當前刀號判定如（rú）圖 6。③手（shǒu）動選刀控製如（rú）圖 7。④主軸速度檢測。主軸速度檢測采用 ZSW610-01C-1200BZ/05L 型旋轉編碼器。利用PLC 的 X0、X1 端子，采集旋（xuán）轉編碼器 A、B 兩（liǎng）相高速脈衝數，通過浮點計算，可以較為精（jīng）確地計算（suàn）出（chū） FANUC 0I-TF 數控車床裝調係統主軸速度。⑤觸摸屏控（kòng）製。本（běn）係統改造裝（zhuāng）置，選用昆侖通（tōng）泰 MCGSTPC1061Ti 觸摸屏，方便學生操作，更加緊密聯係實踐應用，其畫麵示意圖見圖 8。

圖 5 刀架正反轉控製梯形圖

圖 6 刀號判定梯形圖

圖 7 手（shǒu）動選刀梯形圖

圖 8 觸摸（mō）屏畫麵示意圖

5 、結束語

通過（guò）對實訓裝置（zhì）的改造，將其內置 PLC 控製係統剝離，學生在實（shí）訓中能靈活控製刀架的運動，改造後的裝置，功能多樣化，可以（yǐ）有效鍛煉學生電氣選（xuǎn）型（xíng）接線、PLC 編程思維等（děng）綜合能力，對於機電一體化及相關專業的學生，通（tōng）過訓練，技術技（jì）能得（dé）到（dào）顯著提升。

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