基于变频与PLC控制的车床主轴数控系统设计

欧 洲，张晓东，田先亮

（广东白云学院 机电工程系，广州 510450 ）

0 引言

随着计算机技术和信息技术的不断发展，作为国家装备工业基础的机床在向数字控制和智能控制的方向发展。数控机床是先进机械制造技术、数字控制技术、计算机技术、信息技术、微电子技术、自动控制技术、检测技术等先进技术的系统集成，只要改变零件加工程序就能加工所需要的产品，加工速度快、精度高、花样多，能快速满足市场需求。目前小型数控车床在玩具制造、小零件小五金加工、装饰广告等行业有着广阔的前景，为适应市场灵活多变的需求，开发设计各种小型数控车床能较好的满足一大批中小企业的多样化需求，走与中大型数控系统设备厂家不同的差异化道路。本文主要探讨以国产华中数控系统为控制软件，对C6140型车床主轴进行以变频技术与PLC控制技术为主的数控系统设计。

1 车床主轴数控化设计总体方案

目前国内的数控系统大型的有SIEMENS数控系统、中型的有FANUC数控系统、中小型的有三菱数控系统等，这些数控系统价格都在5万元以上，属于高精度的闭环或半闭环控制方式。通过对加工要求、精度要求、价格等因素比较后，采用国产华中数控系统，包括控制面板、主机系统板卡与输入输出接口，继电器与PLC外部I/O板，以及电气控制设计与元器件安装、调试等自行完成。主轴数控采用开环控制方式和半闭环控制方式，包括硬件电气控制系统和软件系统两部分。数控系统能控制主轴启停、转速、方向、过载和报警等；刀架能根据加工需要自动转位换刀；车床主轴数控系统设计原理图如图1所示。

图1 主轴数控系统设计原理图

2 主轴数控系统设计总体方案

2.1 主轴变频器、电机与卡盘的选择

为了提高车床的自动化程度，主轴采用变频调速，进行半闭环控制，根据机械部分的设计计算与C6140车床加工要求可选择FRF740-7.5KCH三菱变频器，适配7.5KW的三相交流调速电机；为了实现较好的低速大转矩特性，采用分档无级变频调速，即在精密加工的时候可选择低速机械档位和高速机械档位，然后再通过变频器来调速；主轴运动由主轴电机驱动，电机的调速、正反转、启停、急停、报警等由PLC与数控系统控制。

主轴卡盘采用电动卡盘，卡盘的夹紧与松开由PLC与数控系统控制。可选择KD11250型号电动三爪自定心卡盘，加装夹紧与松开信号开关，与数控系统的对应端口连接。

2.2 主轴编码器的选择

主轴为了能加工螺纹，主轴电机要加装主轴编码器，与主轴同步转动，作为主轴位置信号的反馈元件，用来测量电机的转速、位移和转向，保证加工螺纹或丝杠时，主轴每转一周，刀具能准确移动一个导程。根据机械部分的设计计算与要求，车床能加工的最大螺纹导程为24mm，纵向的进给脉冲当量为0.01mm/脉冲，所以每转一周加工一个导程输出2400个脉冲，编码器有A、B相输出信号，A、B相位差为90°，另外为了重复车削同一螺纹时不乱扣，编码器还需每转输出一个零位脉冲Z。可选择ZLF-2400Z-05VO-15型号的螺纹编码器。编码器信号端与数控系统对应端口连接。

3 主轴数控系统设计与实施

3.1 主轴变频器调速系统电气控制实施

主轴采用7.5KW以下的普通变频器控制交流变频电机实现调速，变频器选择三菱、台达或日立普通型变频器，可在一定范围内实现主轴的无级变速。这时可利用已有的数控系统主轴控制接口，接口AOUT中模拟量电流或电压输出信号，可作为变频器的调速信号，如果采用单极性模拟量电压，这时用开关量输出信号控制主轴的启停、正反转。主轴速度模拟电压信号范围为-10V～+10V，电流最大为10mA，如果采用双极性模拟量电压，这时采用使能信号控制主轴启停。主轴编码器电源输出为+5V，使用差分TTL方波，可提高可靠性和抗干扰能力，最大电流为200mA，信号电平为RS422电平。数控装置与主轴变频器、编码器的电气连接图如图2所示。

图2 数控装置与主轴变频器、编码器的电气连接图

3.2 主轴外部I/O开关量PLC控制原理与设计

主轴电气系统开关量输入信号与工作原理有：主轴机械一档启动信号X2.0、二档启动信号X2.1，常开触点，闭合有效，启动机械变档；主轴外部运行允许信号X2.4，常开触点，闭合有效，主要检测变频器使能；主轴过载报警信号X3.0，常闭触点，断开有效，主要监控变频器是否异常；主轴速度到达信号X3.1，常开触点，闭合有效，检测主轴稳定速度；卡盘松开信号X0.7、常开触点，闭合有效，启动卡盘松开；卡盘夹紧信号X0.6，常开触点，闭合有效，启动卡盘夹紧。卡盘夹紧驱动信号Y1.6，数控系统内部低电平有效，由数控系统送出该信号，控制卡盘夹紧；主轴制动信号Y1.2，低电平有效，由数控系统送出该信号，控制电机制动；卡盘松开驱动信号Y1.3，低电平有效，由数控系统送出该信号，控制卡盘松开；主轴机械一档驱动信号Y1.4,低电平有效，由数控系统送出该信号，控制机械部分换到一挡；主轴机械二档驱动信号Y1.5，低电平有效，由数控系统送出该信号，控制机械部分换到二挡。数控系统采用华中数控系统，该数控系统采用内置式PLC，可根据车床设计要求进行PLC程序的二次开发，开发源程序语言为C语言，前期设计可用梯形图语言。主轴系统PLC控制电气原理如图3所示。

图3 主轴系统PLC控制电气原理图

3.3 数控系统与变频器组合控制

数控系统与变频器的组合控制时主要参数有：主轴过载X3.0，主轴速度到达X3.1，主轴运行允许X2.4，正转启动X0.0，反转启动X0.1，外部停止X0.2，变频高速启动X4.0，变频中速启动X4.1，变频低速启动X4.2，制动解除X4.3，主轴正转控制Y1.0，主轴反转控制Y1.1，高速控制Y2.0，中速控制Y2.1，低速控制Y2.2，停止控制Y2.3，变频器STF为正转启动端，变频器STR为反转启动端，变频器RH为高速启动端，变频器RM为中速启动端，变频器RL为低速启动端，变频器MRS为变频停止端，变频器OL为过载报警端，变频器SU为频率到达端，变频器无级调速电流为AOUT2/4～20mA，无级调速控制端Y2.4，变频模拟调速端4与AU为ON，变频器公共端SD。变频器工作时需根据要求设置好主要参数。主轴数控系统与变频器控制电气原理图如图4所示。

图4 主轴数控系统与变频器控制电气原理图

3.4 主轴PLC控制系统外部I/O开关量设计

外部I/O开关量电气控制首先要设计制作输入信号板和输出信号板，也可以购买华中数控的输入输出继电器板，但价格较高、成本高。开关量输入输出的电气控制原理类型有NPN、PNP两种类型，采用NPN型的输入输出类型，并制作输入输出信号板。开关量输入技术参数为采用光耦合技术，最大隔离电压为2500V，电源电压为DC24V，导通电流为5～9mA，最大漏电流小于0.1mA，滤波时间小于2ms。开关量输出技术参数为采用光耦合技术，最大隔离电压为2500V，电源电压为DC24V，最大输出电流为100mA。输入等效电路如图5、输出如图6所示。

图5 开关量输入电气原理图

图6 开关量输出电气原理图

按下输入按键X，光耦合器接口电路导通，产生输入信号X，通过数控系统与PLC提供的接口送入数控系统内部进行运算处理。

数控系统与PLC通过输出接口送出控制信号Y，高电平时候，光耦合器接口电路导通，输出端子Y连接外部继电器KA导通，KA常开触点闭合，变频器控制电路导通，实现主轴电机的控制。控制信号Y为低电平时，光耦合器接口电路不导通，外部继电器KA失电，KA断开，变频器控制电路断开。

4 主轴电气控制与数控系统调试

主轴变频调速与数控系统PLC控制电路设计完成后，开始进行PLC控制与变频器调速以及卡盘夹紧、松开，机械自动变换一挡和二挡的调试。

图7 主轴PLC控制系统主要梯形图程序

首先，进行PLC程序的编写。由于华中数控系统是内置PLC系统，并且源程序需用C或C++语言编写，因此，需要将前述的PLC梯形图程序改变为C语言程序，可取名为“zhuzhouplc.cld”文件名，后缀必须是“.cld”。在DOS下面进入PLC安装目录，如：C:HNC-21PLC>EDIT zhuzhouplc.cld<回车>，就建立了PLC的C语言程序，并取名为zhuzhouplc.cld。然后输入C:HNC-21PLC>MAKEPLC zhuzhouplc.cld<回车>，这时系统又回到C:HNC-21PLC>下，表明程序编译成功，编译结果为zhuzhouplc.com，然后更改数控系统配置文件NCBIOS.CFG，进入C:HNC-21>EDIT NCBIOS.CFG，并加上：Device=C:HNC-21PLCzhuzhouplc.com，这时数控系统启动时就会加载新编写的PLC程序。

其次调用华中数控系统车床标准PLC系统。

根据前面改造设计的PLC控制与I/O开关量参数，如果参数状态发生变化，如开关被压下，则对应的开关量数字状态也会发生变化，由此可检测I/O开关量的电路连接改造设计是否正确。数控系统主机启动后，对主轴外部I/O开关量进行接通与断开测试，X、Y的状态都能在PLC状态界面显示出来，由此可见电气电路设计正确。

5 结束语

主轴数控系统设计后进行调试，控制软件采用华中数控系统，该系统能实现方便快捷的人机对话、数控加工程序的编译、运行、计算和信号输出以及整个系统的管理等。主轴自动和手动调试运行结果显示，主轴电气与PLC控制系统运行时间短、速度快、效率高、无死循环、死机现象，I/O开关量接口的信号响应快，主轴加工的稳定性、准确性、快速性比普通车床有较大改善，整个主轴运行正常。

[1] 欧洲,张晓东.基于16单片机控制的数控系统设计[J].制造业自动化,2009(3):86-88.

[2] 张建民,等.机电一体化系统设计（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2007.

[3] 陈吉红,等.数控机床实验指南[M].武汉:华中科技大学出版社,2005.

[4] 张毅刚,等.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2003.

[5] 三菱通用变频器FRA700使用手册.