基於 PLC 與 GOT 的 CA6140 臥式車床進給係統的改造設計
2017-7-10 來源：廣東石油化工學（xué）院 機電工程學院 作者：喬（qiáo）東凱， 趙晶英， 陳 軍， 廖 輝
摘要： 闡述了 CA6140 臥式車床控製的原理與存在的問題，並細述了采用可編程控製器、觸摸屏、編碼器、步進驅動器和步進電機對 CA6140 臥式（shì）車床的進給運動自動控製的具體方法，從而實現（xiàn）了該車床智能化（huà）控製的目的。 實踐證明該方法經濟實效，對其他類型的機床或電氣設（shè）備的改造具有（yǒu）借鑒和（hé）指導意義。
關鍵詞（cí）： 可編程（chéng）控製器； 觸摸（mō）屏； 車床； 編碼器； 步進電機
0.引言
CA6140 臥式車床進給的轉速控製是（shì）通過轉動手柄（bǐng）來控（kòng）製，要（yào）改變刀架（jià）的移（yí）動轉速，必（bì）須在刀架停止的情況下（xià）進（jìn）行，速度轉換時要轉動手柄，操作（zuò）不便。 有時需要頻繁地（dì）更換其主軸轉速，加快了齒輪之間的磨損，導（dǎo）致轉速達不到要求。 此外，齒輪在工作時（shí），出現噪聲大，啟動、傳動不平穩，換速時衝擊力大（dà）等（děng）問題。進給運動（dòng）的進（jìn）給量是通過手輪（lún）來控（kòng）製的，會出現（xiàn）手輪轉動後，存（cún）在一小段（duàn）距離，刀架（jià）沒有移動，導（dǎo）致加工出現誤差。
1 調速改造方案的確定
未改造前，進給運動的轉速是由轉動手柄在不同擋（dǎng）位來控製，即改變齒輪之間的齧合，其進給量則由（yóu）手輪控製。 機床改造後，用步進電（diàn）機代替溜板箱縱向（xiàng）移動的大（dà）手輪（lún）和控製中滑板橫向（xiàng）運動的（de）小手輪，並通過編（biān）碼器實（shí）時反映距離，采用觸摸（mō）屏和 LC技術控（kòng）製（zhì）進給（gěi）運動的進給量（liàng）和進給速（sù）度。（1）調速原理（lǐ）步進電機的轉速
由式（1）可知，改變步進電機的頻率就可（kě）以調節（jiē）進給速度，並且其頻率可在一定範圍內（nèi）變化，所以轉速調節範圍寬。步進電機的轉動圈數
由（yóu）式（2）可知，改變步進電機的脈衝數可（kě）以改變步進電機轉動的圈數，進而改變移動的距離。（2）PLC、步進電機、步進驅動器（qì）、觸摸屏和編碼（mǎ）器的選擇根據實際情況，係統需要控製 2 個步（bù）進電（diàn）機，即PLC 需要 2 個高速脈衝（chōng）輸出， 為方便操作和（hé）保（bǎo）證係統的可見（jiàn）性，係統配備有觸摸屏，故所需 PLC 的點數較少，且要連（lián）接編碼器，需要（yào）晶體管（guǎn）輸出（chū），最終選擇（zé）型號為 FX3U－32MT 的三菱 PLC。 由於代替手輪和手柄轉動的（de）步進電機不需要太大力矩，選擇步進電（diàn） 機（jī） 57BYG250B -SAFRMC －0152， 其保持轉矩為0.7 Nm，步距角是 1.8°，相數為（wéi） 2 相。 相應地選擇步進驅動器為 SH-20402A。 編碼 器選擇型號為E6B2 -CWZ5B， 觸摸屏選擇性價比（bǐ）較高的型號為MT8104X 的（de）威（wēi）綸觸摸屏。（3）PLC 輸入、輸出點的連接PLC 輸入點、輸出點的連接如表（biǎo） 1、表（biǎo） 2 所示。
表 1PLC 輸入點的連接
編碼器 1（與大手輪連接）的脈衝與方向端分（fèn）別與（yǔ） X0、X1 連接；編碼器 2（與小手輪連接）的脈衝與方向端（duān）分別與 X3、X4 連接； 將一個急停按鈕與 X6連接，用來緊急（jí）停止整個係統。
表 2 PLC 輸出點的連接（jiē）
輸出點 Y0 用（yòng）於給控製床（chuáng）鞍和溜板箱縱向移動大手輪的步（bù）進電機驅動器 1 發送高速脈衝； 輸出點Y1 用於給控製中滑板橫向運動手柄的步進電機驅動器 2 發送高速脈衝。 連接到 Y2、Y5 的（de）中間繼電器分別控製步進驅動器 1 和 2 的通電與斷電。 輸出點Y3、Y6 分別給步進驅動器 1 和 2 發送（sòng）方（fāng）向信號，控製步進電機（jī） 1 和 2 正（zhèng）轉。 輸出點（diǎn） Y4、Y7 則是使步進驅動器 1 和 2 脫機。（4）PLC 與步進驅動器、步（bù）進電機的連接PLC 與步（bù）進驅動器（qì）、步進電機的連接如圖 1 和圖2 所。
（5）PLC 與觸摸屏的通訊PLC 與觸摸屏的通訊如表 3 所 示 ，PLC 與 觸摸屏接口類型為 RS-485 4W，通訊端口為 COM1，通訊（xùn）線：觸摸屏（公頭）1、2、3、4、5 對應 PLC（公（gōng）頭）4、7、1、2、3。
表 3PLC 與觸摸屏的通訊（xùn）
（6）主軸速度和進給運動的控（kòng）製步進電機通（tōng）過（guò）步（bù）進驅動（dòng）器來控製，即 PLC 通過步進驅動器來控製步進電機。 具體（tǐ）方法（fǎ）是 PLC 給步進（jìn）驅動器輸出一個高速脈衝、方向和脫機信號。 因為係統采（cǎi）用的是 64 細（xì）分，所以要將步進驅動（dòng）器的刻度盤（pán）調到 64 細分（fèn）。 編碼器則連接（jiē）到 PLC 的輸入點，利用高速計數器記（jì）錄下脈衝數，進而通（tōng）過程（chéng）序（xù）處理，反映出實時距離。PLC 開機初始化的程序如圖 3 所示。
當給 PLC 上電時，M8002 接通一個掃描周期，係統對 M0~M100，D0~D100，C247~C248 進行清零。高速計數器計數並轉換為距離和清零操作程序（xù）如圖 4 所示。
圖 4 高速計數器計數並轉換為距離和清零操作
與縱向軸相連（lián）接的編碼器是通過式（1）進行距離轉換，編碼器的軸（zhóu）與齒數為 120 及模數為 0.25 的（de）齒輪相聯。 因此，可以求出齒（chǐ）輪的直徑
如圖 4 所示，當 PLC 開機後，編碼器（qì）轉換程序一直在（zài）執行，反映出進給移動的實時距離。編碼器輸出的脈衝用高速計數器計數。 縱向編碼器的脈衝由高速計數（shù）器 C247 計數， 然後保存在寄存器 D30中，之後乘以 9 577，結果保存在 D35 中，最後除以200 000，結果保存在 D39 中。 橫向編碼器（qì）的脈衝由高速計數器 C248 計數，然（rán）後保存在 D40 中，再除以400，把（bǎ）運算結果保存在（zài） D45 中。對高速計數器 C247、C248 的清零，則是在手動（dòng）對完縱向和橫向刀後進行，確定零點位置。主軸轉速和方向控製程（chéng）序如（rú）圖 5 所示。
當 M4 接通時，控製主軸正轉；當 M8 接通時，控製主軸反轉；當 M6 接通時，停止主軸轉動。 同（tóng）時正轉和反轉設計了（le）互鎖，即正、反轉之（zhī）間的切換，必須要停止主軸，從而保護了主軸電動機（jī）。縱向進給速度、進給量和方向控製如圖 6 所示。
圖 6縱向進給速度、進（jìn）給（gěi）量（liàng）和（hé）方向控製
當線（xiàn）圈 M23 接通時，線圈 Y2 通電，給步進驅動器 1 上（shàng）電；當線圈（quān） M24 接（jiē）通時，則步進驅動器 1 斷電。 當 M25 接通時，線（xiàn）圈 Y4 通電，給步進驅（qū）動器 1發送（sòng）脫機信號（hào）。 M26 和 M27 是手動分別控製步進電機（jī）的正反轉，即前進或後退。 當 M28 接通時，自動控製步進電機正轉；當 M29 接通時，自動控製步進電機反轉。 當 M27 或（huò） M29 接通時，切斷步進（jìn）驅動器方（fāng）向信號 Y3， 進而控製步進（jìn）電機反轉（zhuǎn）。 當 M28 或（huò）M29 接通時，M30 自鎖，給（gěi）步進驅動器輸出脈衝。 其中 D0 和 D4 的值可以根據需要進行改變，分別改變進給縱向的進給速度和進給量。橫向進給速度、進給量和方向控（kòng）製的程序（xù）如（rú）圖7 所示。
圖 7橫向進給（gěi）速度、進給量和方向控製
當線圈 M34 接通時，給步進驅動器上電；當線圈 M36 接通時，則斷電。 當 M38 接通時，給步進驅動器 2 發送（sòng）脫（tuō）機信號 Y7。 M40 和 M42 是手動分別控製步進電機（jī）的正（zhèng）反轉，即前進或後退（tuì）。 當 M43 接通時，自動控製步（bù）進電（diàn）機正轉；當 M44 接通時，自動控製步進電機反（fǎn）轉。 當 M42 和 M44 接通時，切斷步進驅動器方（fāng）向信號（hào） Y6，進而控製步進電機反轉。 當M43 和 M44 接通時，M46 自鎖， 給步進驅動器輸出脈衝。其中 D8 和 D12 的值可以根據需要進行（háng）改變，分別改（gǎi）變進給橫向運動的（de）轉動速（sù）度和進給量。進給運動的速度和進給量轉換如圖 8 所示。
圖 8 進給運動的速度和進給量轉換
當（dāng） M52 接通時，將速度值 D60 根據式（1）轉換為頻率保存在 D0 中；將進給量 D70 根據式（2）轉（zhuǎn）換為轉動的圈數後， 再轉變為脈衝數保存在 D4。 當M54 接 通時 ，將速度值 D75 根 據式 （1）轉 換為頻率保存在 D8 中（zhōng）；將進給量 D85 根據式（2）轉換為轉動的（de）圈數後，再轉變為脈衝數保存在 D12。進給運動的橫向與縱向運動的控製如圖 9 所（suǒ）示。9圖 9進給運動（dòng）的橫向與縱向運動控製當M60 接通時，M62 自鎖，開始橫向運動；當所走距離值 D35 與所（suǒ）設（shè）距離（lí）值 D90 相等時，M64 接通（tōng），開始縱向運動；當所走距（jù）離值 D45 與所設距離值 D95 相等時（shí），複位 M62，即停止運動。當 M66 接通時，M68 自鎖，開始縱（zòng）向運動；當所走距離值 D45 與所設距離值 D95 相等時（shí），M70 接通，開（kāi）始橫向運動。當所走（zǒu）距離值 D35 與所設距離值 D90 等時，複位M68，即（jí）停止運動。 當 M72 接 通時（shí） ，M74 自 鎖 ，橫向和縱（zòng）向（xiàng）運動同時進行，當所走距離值與所（suǒ）設距離值相等時，複位 M74，即停止運動。
2.結語
本設計（jì）從電氣控製方（fāng）案、元器件選（xuǎn）型及機加工係統現場環境等因素綜合考慮，對 CA6140 車床的進給運動進行了電氣化改造，改造後的該設（shè）備控製電路簡單（dān），穩定性和可靠性也（yě）增強，操作方（fāng）便，實現了進給係（xì）統的（de）自動化控製，進而提高（gāo）了加工精（jīng）度。
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