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基于plc的電氣自動(dòng)化
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基于plc的電氣自動(dòng)化
摘要：對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的控制方式、系統(tǒng)功能、主要實(shí)現(xiàn)部件，進(jìn)行了選擇和分析，然后給出一個(gè)完整的基于plc的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)工作原理方案。
關(guān)鍵詞：plc 數(shù)控機(jī)床 電氣控制
目前數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，不僅要對(duì)各機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制外，而且需要對(duì)機(jī)床主軸停止、轉(zhuǎn)向和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和停止、刀庫(kù)及換刀機(jī)械手控制、切削液開關(guān)、夾具定位等動(dòng)作，進(jìn)行特性次序控制。
特定次序的控制信息，由輸入/輸出控制，如控制開關(guān)、行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫度開關(guān)等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控制，同時(shí)還包括主軸驅(qū)動(dòng)和進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的使能控制和機(jī)床報(bào)警處理等[1~5]。
隨著可編程序控制器(plc)技術(shù)的發(fā)展，上述綜合功能是可以由數(shù)控機(jī)床中的可編程序控制器來(lái)完成的[1~2]。
它是由輸入部分，邏輯部分和輸出部分組成，輸入部分收集并保存被控制部分實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，邏輯部分處理輸入部分所取得的信息，并判斷哪些功能需做出輸出反應(yīng)。
輸出部分提供正在被控制的許多裝置中，哪幾個(gè)設(shè)備需要實(shí)時(shí)操作處理。
筆者基于plc控制來(lái)分析對(duì)一類數(shù)控機(jī)床的電氣控制設(shè)計(jì)，主要包括對(duì)控制方式的選擇和分析。
對(duì)電氣控制系統(tǒng)中的主要實(shí)現(xiàn)部件進(jìn)行分析和選用，以及提出完整的基于plc的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)工作原理方案。
1基于p lc的數(shù)控機(jī)床電氣控制方式的選擇
數(shù)控機(jī)床電氣控制方式優(yōu)劣，決定了控制系統(tǒng)的成敗[3,5]。
本文所提及的系統(tǒng)，要控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)高速高精度的加工，所以系統(tǒng)的性能至關(guān)重要：首先要根據(jù)預(yù)定要求和被控對(duì)象的特征、控制精度、系統(tǒng)運(yùn)行速度等限制進(jìn)行了綜合考慮，同時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比等因素，確定x、y軸采用pc機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器+電機(jī)+光柵尺的方式進(jìn)行閉環(huán)控制。
采用此種方式，pc機(jī)發(fā)揮了強(qiáng)大的文件處理功能、人機(jī)交互功能以及高速的數(shù)據(jù)處理功能，運(yùn)動(dòng)控制器則體現(xiàn)了高可靠性、高速性、高精度等優(yōu)點(diǎn)，光柵尺則為系統(tǒng)提供了高達(dá)1μm的精度的位置信息。
同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器可以接入機(jī)床的各種傳感器，并及時(shí)做出處理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
運(yùn)動(dòng)控制卡只能接入少數(shù)幾根軸，而運(yùn)動(dòng)控制器可以大量擴(kuò)展軸的數(shù)目，為系統(tǒng)以后的升級(jí)帶來(lái)便利。
運(yùn)動(dòng)控制器同時(shí)還可以通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口接入一個(gè)plc系統(tǒng)，即運(yùn)動(dòng)控制器同時(shí)可以執(zhí)行plc功能。
2數(shù)控機(jī)床的功能分析
本文分析的數(shù)控機(jī)床，是一拖四的機(jī)床，有x、y軸和四個(gè)z軸上的伺服電機(jī)，來(lái)進(jìn)行工作臺(tái)定位。
x、y、z軸可以聯(lián)動(dòng)，四個(gè)z軸可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也可以分開運(yùn)動(dòng)。
為了提高加工精度，工作臺(tái)的x、y軸運(yùn)動(dòng)，利用光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行精確定位。
通過外擴(kuò)模擬量i/o點(diǎn)對(duì)高速變頻器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)四個(gè)主軸電機(jī)可以進(jìn)行啟停分開控制，轉(zhuǎn)速同步控制。
x、y軸進(jìn)行兩側(cè)硬限位和軟限位雙重保護(hù)，對(duì)z軸下側(cè)進(jìn)行軟硬限位。
主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)16萬(wàn)r/min，實(shí)現(xiàn)較高的加工效率，并配備專用的冷卻水泵對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)溫度，提供溫度保護(hù)。
為每根主軸安裝機(jī)械手和刀庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀和手動(dòng)換刀可選擇。
為了提高加工質(zhì)量，機(jī)械手換刀后，進(jìn)行刀具深度和位置檢測(cè)。
加工過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)刀具磨損以及斷刀情況，出現(xiàn)刀具失效，可以自動(dòng)通過機(jī)械手換刀或者提示操作者手動(dòng)換刀。
為了穩(wěn)定加工，系統(tǒng)具有高速的上下位機(jī)通訊功能，上位機(jī)可以隨時(shí)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制，下位機(jī)也把各種信息傳到上位機(jī)。
3電氣控制系統(tǒng)組成
控制系統(tǒng)由pc機(jī)(工控機(jī))，simotion，電源模塊，電機(jī)模塊，電機(jī)，光柵尺，smc30(傳感器模塊)，分布式1/0et200m(包括數(shù)字量模塊和模擬量模塊)，機(jī)械手，主軸變頻器，高速主軸以及多個(gè)傳感器以及限位開關(guān)組成。
具體的分析及其選用如下：
3.1上位機(jī)
上位機(jī)是一臺(tái)pc機(jī)(工控機(jī))，主要負(fù)責(zé)從加工文件中讀取需要數(shù)控機(jī)床加工流程(以鉆孔為例)的鉆孔的孔位和孔徑信息，以及為用戶提供友好的界面設(shè)定加工參數(shù)，最后通過tcp/ip協(xié)議，把這些數(shù)據(jù)傳到運(yùn)動(dòng)控制器。
3.2 s imotion運(yùn)動(dòng)控制器simotion d是整個(gè)控制系統(tǒng)地核心，所以simotion d的運(yùn)行速度和可靠性，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生決定性影響。
本系統(tǒng)選擇的simotiond內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由西門子plc5300和西門子的運(yùn)動(dòng)控制cpu組合而成，所以繼承了plc工業(yè)運(yùn)用上的高可靠性優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也繼承了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的靈活性。
simotion是一個(gè)全新的西門子運(yùn)動(dòng)控制，它是世界上第一款針對(duì)生產(chǎn)機(jī)械而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。
simotion的目的是為實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)提供一種簡(jiǎn)單、靈活的控制系統(tǒng)。
為了確保成為最佳的控制方案，simotion的功能得到了很大程度的擴(kuò)展。
simotion主要有三大功能：
(1)運(yùn)動(dòng)控制。
(2)邏輯控制，例如，對(duì)輸入信號(hào)的邏輯門處理，以及對(duì)輸出信號(hào)的分析與賦值。
(3)工藝控制，例如壓力控制、溫度控制等。
目前simotion面向的行業(yè)，主要是運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、速度及精度的要求較高的制造機(jī)械、包裝機(jī)械，橡塑機(jī)械，鍛壓機(jī)械，紡織機(jī)械，以及其他生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域。
3.3電源模塊
一般變頻器的工作方式，為先把一定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟姡儆赡孀兤靼阎绷麟娮優(yōu)橹付l率的交流電。
simo-tion運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用通過電源模塊把工業(yè)交流電變?yōu)橹绷麟�，再分配給多個(gè)電機(jī)模塊的方式。
電源模塊分為可調(diào)電源模塊和不可調(diào)電源模塊。
可調(diào)電源模塊，可以根據(jù)參數(shù)把它轉(zhuǎn)化出來(lái)的直流電穩(wěn)定到一個(gè)指定的可變值，并且具有與simotion通信的功能。
不可調(diào)電源模塊，只能輸出一個(gè)固定的直流電壓，而且不能同simotion通信。
3.4電機(jī)模塊
電機(jī)模塊主要是把540v或600v的直流電，逆變成指定頻率的三相交流電，供給電機(jī)使用。
目前的電機(jī)模塊有兩種類型：書本型和裝機(jī)裝柜型。
書本型又分為單軸電機(jī)模塊和雙軸電機(jī)模塊，單軸為3-200a。
雙軸為3-18a。
電機(jī)模塊和主控單元之間通過drive-cliq接口，進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。
因?yàn)橐獙?duì)x、y和四個(gè)z軸進(jìn)行伺服控制，所以采用3個(gè)書本型雙電機(jī)控制模塊，來(lái)對(duì)6個(gè)軸進(jìn)行控制。
3.5伺服電機(jī)
伺服電機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的動(dòng)力提供者，本系統(tǒng)的x、y和4個(gè)z軸，都采用的是高動(dòng)態(tài)相應(yīng)的交流伺服電機(jī)。
電機(jī)可以進(jìn)行矢量控制和伺服控制，電機(jī)上還帶有旋轉(zhuǎn)編碼器，用來(lái)組成一個(gè)電機(jī)位置閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。
電機(jī)本身所帶編碼器的精度在10μm左右。
電機(jī)也具有drive-cliq接口，可以實(shí)時(shí)上傳電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，在系統(tǒng)自動(dòng)組態(tài)時(shí)，可以上傳自己的銘牌數(shù)據(jù)，極大地方便了系統(tǒng)組態(tài)。
同時(shí)電機(jī)上邊全部用標(biāo)準(zhǔn)安全接口，為電機(jī)接線時(shí)，只需把相應(yīng)的插頭插入即可。
3.6光柵尺
西門子伺服電機(jī)本身帶有編碼器，但是電機(jī)編碼器的精度只能達(dá)到10μm，離要求的5μm差距較大。
所以用外部光柵尺檢測(cè)工作臺(tái)的位置，并把精確的位置信息通過smc30(傳感器模塊)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，傳遞給simotion進(jìn)行處理。
光柵尺選用業(yè)界知名的renishaw公司產(chǎn)品中的rg4系列。
3.7變頻器
數(shù)控機(jī)床的主軸速度，要求的非常高(12萬(wàn)r/min以上)，所以為了對(duì)高速主軸進(jìn)行控制，要選擇一種高速變頻器。
臺(tái)達(dá)v系列可以滿足高速主軸的頻率要求。
由于simotion上沒有用來(lái)同臺(tái)達(dá)變頻器進(jìn)行通信的485串口，所以對(duì)臺(tái)達(dá)變頻器的控制，采用模擬量控制方式。
方案為simotion d擴(kuò)展et200m獲得模擬量i/o來(lái)對(duì)臺(tái)達(dá)變頻器進(jìn)行控制。
3.8高速主軸
機(jī)床的主軸采用西風(fēng)的f16 160000rpm高效率pcb鉆孔主軸，采用全流道冷卻系統(tǒng)，是一種高精度、高壽命、高穩(wěn)定性的全功能pcb鉆孔主軸。
刀具加緊方式，采用啟動(dòng)夾緊方式，冷卻系統(tǒng)則為干凈的水循環(huán)利用，不能使用去離子水。
為了對(duì)獨(dú)一主軸進(jìn)行保護(hù)，主軸內(nèi)置ntc溫度控制系統(tǒng)。
3.9其他傳感器
()lomron接進(jìn)開關(guān)。
本系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的回零，采用外部 標(biāo)志加編碼器零位方式回零，工作臺(tái)回零時(shí)的外部標(biāo)記用接 近開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)4個(gè)z軸限位，也是通過接進(jìn)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。
本控制系統(tǒng)的限位回零采用此接近開關(guān)。
(2)深度檢測(cè)系統(tǒng)。
本系統(tǒng)可以采用機(jī)械手自動(dòng)換刀或者 手動(dòng)換刀，由于換刀過程中，會(huì)出現(xiàn)刀具的夾裝位置不同，造 成鉆孔深度不同，也會(huì)出現(xiàn)刀具安裝傾斜等情況。
ncpcb tool setting device(刀具檢測(cè)系統(tǒng))可以在自動(dòng)換刀或者手動(dòng)換刀 后，進(jìn)行檢測(cè)刀具深度以及方向是否正確。
4電氣控制系統(tǒng)總體工作方案設(shè)計(jì)
如圖1所示，為該電氣控制系統(tǒng)總體工作方案原理圖。
該 電氣控制系統(tǒng)總體工作方案是：pc機(jī)讀取文件信息，把數(shù)據(jù) 傳遞給simotion d。
simotion d再根據(jù)這些收到的數(shù)據(jù)，控 制電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行位置控制。
光柵尺實(shí)時(shí) 檢測(cè)工作臺(tái)的位置信息，并傳遞給simotion d，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作 臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整，滿足對(duì)位置的精度要求。
由于光柵尺信號(hào)不 能由simotion d直接識(shí)別，所以通過傳感器模塊smc30轉(zhuǎn) 換為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，傳遞給simotion d被et200m從simotion d接收到主軸的轉(zhuǎn)速信息，通過模擬量模塊輸出一 個(gè)相應(yīng)的電壓，控制變頻器驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
工作臺(tái)的工作狀態(tài)，可以通過多個(gè)傳感器(如接近開關(guān)、斷刀檢測(cè)傳感器、深度檢測(cè)傳感器等)檢測(cè)到并傳入系統(tǒng)。
這些傳感器的信號(hào)先送到 simotion的擴(kuò)展模塊et200中，再送入simotion中，運(yùn)用 simotion強(qiáng)大的工藝處理、邏輯處理能力，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行 處理，從而完成整個(gè)的加工任務(wù)。
5結(jié)束語(yǔ)
數(shù)控設(shè)備在我國(guó)已廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用，但水平還不高，這嚴(yán) 重制約著我國(guó)生產(chǎn)加工工藝的提高。
究其原因，主要體現(xiàn)在電 氣控制部分。
本文給出的數(shù)控機(jī)床電氣控制思想和方法，經(jīng)過 長(zhǎng)期運(yùn)行，證明其設(shè)計(jì)合理，控制精度高，性能可靠，能大大提 高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，不失為一種優(yōu)秀的數(shù)控電氣控制方案。
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