基于PLC 的T2120 深孔镗床控制系统改造

胡振华 杨福合 庞明超 王俊元 曾志强

(中北大学机械工程与自动化学院，山西 太原030051)

某企业T2120 深孔镗床采用继电器接触器控制，主要用来进行钻削动车车轴的深孔。由于原控制元器件老化及线路受液压油、切削液腐蚀，机床在加工过程中故障频发;原控制功能简易，自动化程度低，导致工人劳动强度大;由于动车车轴材料硬度高，深孔加工工艺过程复杂，因此在加工时容易出现打刀现象，如若操控不及时，容易导致钻杆扭曲变形甚至折断、工件报废，从而给企业造成巨大的经济损失。因此，对机床的改造十分迫切。

1 总体改造方案

T2120 深孔加工镗床结构形式为卧式，机床主要由床体、主轴箱、集屑器、授油器、钻杆箱、工件支架、钻杆支架、高压冷却系统组成。机床结构如图1 所示。被加工的车轴一端由主轴前端的卡盘夹紧，随主轴一起旋转实现主运动，另一端由工件中心架辅助支撑定位。钻头由钻杆箱带动高速旋转实现切削运动，应用电磁调速器控制调速电动机，从而带动丝杠推动钻杆箱实现进给运动。

1.1 原控制状态

深孔镗床采用继电器接触器控制，主轴传动系统、刀杆传动都是由三相异步交流电动机传动，采用齿轮换挡调速，不仅无法满足主轴调速、转矩控制、进给量控制的要求，而且无法监控加工工程中的主要参量，加工全完凭借操作人员经验，因此加工可靠性大大降低。深孔镗床原电气控制框图如图2 所示。

1.2 改造方案

根据机床的具体结构及实际加工的要求，确定了如下改造方案:

(1)主轴传动系统采用变频器控制，从而满足无级调速及转矩控制的要求，原主轴箱机械系统不做改动，但主轴换档功能废弃不用。

(2)原进给系统采用电磁调速器实现的调速电动机控制，只能控制进给速度，不能调节钻孔深度，而且其转速范围是100 ～800 r/min，采用齿轮减速后最小进给量在20 mm/min。而加工的工件材料比较特殊，为保证良好断屑，要求进给速度在8 ～15 mm/min，故改用伺服电动机控制，以保证正常加工。

(3)在加工中添加功率检测功能，实时监控主轴电动机的功率，从而间接判断刀具的状态。当出现打刀现象时，系统自动停止进给并报警。

(4)机床采用PLC 实现自动控制，添加触摸屏实现人机交互，以方便修改各加工参数。

所设计的控制系统总体结构示意图如图3 所示。

2 控制系统硬件与软件设计

2.1 PLC 的选择

根据输入输出点数，系统共需要15 个输入点、15个输出点，所以选用台达推出的DVP -32EH 高速精密定位型主机。该PLC 具有2 点200 kHz 高速脉冲输出，结合其提供的运动控制指令可方便地控制伺服驱动器。

变频器的调速需要模拟电压，而且系统要求功率监控、实时显示主轴电动机的电流值，所以扩展一台模拟量输入输出模块DVP06XA -H2。该模块具有4 点模拟量输入及2 点模拟电压输出，输入输出分辨率全为14 -bit，足以满足系统需求并可透过主机以FROM/ TO 指令来读写模块内数据，或以MOV 指令直接读取对应通道的平均值。

2.2 主轴控制设计

(1)变频器

机床在加工时，工件由主轴带动单方向旋转。为达到更佳切削效果，要求主轴能够无级调速。本系统采用台达VFD-B 系列变频器。该变频器具有多种控制方式，并能根据外在负载转矩，提供适当的电流电压矢量值输出，与PLC 的通讯方式采用RS-485 通讯。

(2)主轴控制系统

主轴电动机转速范围为0 ～2 900 r/min，变频器输入电压为0 ～10 V，对应DA 转换所需数字量D 的范围为0 ～4 000。所以系统加工时，用户在触摸屏输入主轴转速n后，PLC 根据用户输入经计算得到DA模块应当输出电压的数字量:D=4 000n/2 900。这个数字量经过DA 转换变换成模拟电压后输出给变频器的频率设定端，从而实现主轴电动机的无级调速。

2.3 伺服控制设计

(1)伺服电动机及驱动

系统要求进给速度可调、进给位移任意可调，为保证控制精度，故选用伺服电动机驱动方案［6］。伺服电动机采用台达公司ECM 交流伺服电动机，选择驱动器为ASD-B2023 -A。利用台达DVP-EH 输出脉冲命令(回原点、寸动、正反转、速度模式切换)驱动伺服驱动器，进而达到位置控制的效果。

(2)进给控制系统

用户要求机床在加工时进给速度、进给量任意控制，而且要求在进给过程中可以调速，采用了如图4 所示的半闭环交流伺服系统。台达PLC 提供有一系列运动控制指令，如定位指令DRVI/DRVA，可同时给定输出脉冲频率、脉冲个数、方向，便于伺服控制。

系统运行时，用户在触摸屏上输入进给位移L与基准进给速度V，这两个参数分别存入PLC 的断电保持型寄存器D 中，应发送的脉冲个数S2=L/δ。式中，L为伺服机构的位移量，mm;δ 为伺服机构的脉冲当量，mm/脉冲。脉冲当量与丝杠螺距、减速机的减速比及伺服驱动器设定参数有关。应发送的脉冲频率S1=60V/δ。式中，V为伺服机构的进给速度，mm/min;δ为伺服机构的脉冲当量，mm/脉冲。PLC 程序中在每个扫描周期都需根据输入值计算S，用户可在触摸屏上随时更改进给速度，满足加工过程中的调速要求。

2.4 加工参数监控设计

正常钻削时，钻削功率是逐渐增大或减小的，不会发生突变，正常停机时，功率变化率小。刀具在钻削过程中发生打刀现象时，功率会突然增大或减小即出现较大的阶跃，根据信号的微分特性可知，其功率的微分量将产生一个较明显的尖脉冲。所以，可以利用刀具打刀现象时，功率的微分这一脉冲信号作为识别信号。因此，实时测量钻削功率，对钻削功率进行微分，分析钻削功率的变化率可以判别刀具是否发生打刀现象。

根据钻削加工理论，深孔钻削时扭矩T及主轴所需钻削功率P为

主轴采用三相异步电动机，其转速为n=60f/p(1-s)，式中f为电动机频率、p为磁极对数、s为转差率。

将式(1)代入式(2)，可得:

式中:CM为扭矩系数;XM为轴向力指数;YM为轴向力修正系数;KM=KMmKMw为扭矩修正系数。

功率值只与主轴电动机的频率值f有关。系统采用A/D 模块采集主轴变频器频率值，通过式(3)的计算得到主轴实时的钻削功率值。监测模型如下:

假设P代表钻削功率，Pmax为刀具破损时的切削功率的阈值，则系统报警要求满足的条件为:dp/dt≧Pmax。

因此，钻削加工时机床主轴输入功率的变化可以定量描述为时间的函数，加工参数相同的同种工件其加工过程具有相似的主轴功率/时间曲线，经A/D 转换后的数字信号由RS485 接口输入PLC，进行运算和判断，监视切削过程中切削功率的变化率。当刀具破损时，由于切削功率产生突变，PLC 识别到这种突变后就发出报警信号。

2.5 触摸屏的选择与程序开发

(1)硬件选型

为了方便用户设定各种加工参数，对主要加工参数进行实时监测，系统采用台达的DOP -B07S515 触摸屏，该系列触摸屏具有65536 色、800 ×600 像素显示效果，内置3MB/82MB Flash ROM、支持USB 上下载，支持以太网络等特点，广泛应用于各种工业监控场合。

由于触摸屏与PLC 分别位于机床面板、电气柜，距离较远，故触摸屏与PLC 的连接采用RS-485 通讯。

(2)触摸屏软件开发

在加工过程中，刀具的工作状况是无法用肉眼进行观测。若要判断刀具是否磨损必须由操作人员通过触摸钻杆凭经验判断。由于使用这种方法的劳动强度较大，所以有时未能发现刀具的磨损现象，将导致钻杆弯曲、变形、损坏、折断。为消除因刀具磨损引发的各种问题，减少损失，必须实时监测刀具的磨损情况，如磨损严重时及时报警，暂停加工。本文通过对主轴电动机功率的实时检测，从而间接判断刀具的工作状态。使用模拟量输入输出模块分别读取主轴电动机变频器的电压值、电流值、频率值，PLC 进行逻辑运算后可以将主轴电动机的实时功率值以曲线形式显示在触摸屏上。应用Screen Editor 画面编辑软件开发本系统的控制界面、参数设定以及监测界面。部分控制、检测、参数设定界面如图5 所示。

3 改造后的精度与效益

3.1 机床精度水平

机床的精度测量包括直线运动定位精度及直线运动重复定位精度、直线运动的原点返回精度的测量，通过激光干涉仪自动测量并按标准公式计算出结果。

(1)直线运动定位精度 为反映多次定位中全部误差，规定每一个定位点按5 次测量数据算出平均值和散差±3δ。定位精度曲线是由各定位点平均值连贯起来的一条曲线上加上3δ。散带构成定位点散带，实测各轴达到0.02 mm/1 000 mm。

(2)直线运动重复定位精度 在靠近各坐标行程的中点及两端的任意3 个位置进行测量，每个位置用快速移动定位，重复做7 次定位，求出最大差值。以3个位置中最大差值的1/2，附上正负符号作为该坐标的重复定位精度。实测各轴达到±0.003 mm。

(3)直线运动的原点返回精度 直线运动的原点返回精度是特殊点的重复定位精度，测量方法与重复定位精度相同，实测各轴达到±0.002 mm。

表1 控制系统改造前后加工效率和经济效益对比

3.2 改造前后各项指标对比

对T2120 深孔镗床改造前后加工效率和经济效益进行对比如表1 所示。由表中的对比数据可已看出:机床经改造后，其加工效率和加工精度明显提高，加工成本大大降低，故障及事故发生的概率大为降低，因此改造效果十分明显。

4 结语

根据深孔镗床的加工特点，控制以PLC 作为控制核心，取代原有的继电器接触器控制，从而使系统的可靠性与机床的精度大幅提高，经济效益显著。综合考虑机床各工位的控制特点和操作人员的操纵习惯，使用变频器、伺服驱动器、触摸屏等控制操作设备使操作更为方便简单，而且实现了对重要的加工参数的数字化控制与检测。

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