基于变频与PLC控制的车床主轴数控系统设计

尹柏龙 安徽电子信息职业技术学院

基于变频与PLC控制的车床主轴数控系统设计

尹柏龙 安徽电子信息职业技术学院

本研究所用数控为华中数控，设计了车床主轴模块的控制系统，研究内容有主轴控制方案的选定，可调速变频系统的研究，PLC模块主要优化了控制逻辑，I/O模块设计了开关量。设计完成后，做了PLC调试工作，根据调试数据可知车床在加工平稳性、可靠性以及响应速度方面要优于常规的车床。

车床 数控系统 PLC 变频

数控设备是技术集成度很高的产品，其囊括了机械制造、控制、系统集成、嵌入式、微机电等一系列先进技术在内。数控设备的制造水平在一定程度上可以代表工业发展水平。华中数控是国内发展较好的数控系统方案提供商，这篇文章的研究内容以C6140车床作为研究平台，华中数控作为控制系统，通过变频和PLC设计对车床主轴的控制模块进行了设计。

1 主轴控制设计方案

国外以西门子、FUNUC为代表的数控系统因其高精度和闭环设计，大多比较昂贵，而本文所研究的车床由于加工对象的特点，不需要闭环设计，又因为成本的考量，选用了华中数控系统。系统面板、板卡、系统I/O、继电模块、外部输入输出等机床模块都是自行安装完成并调试。根据设计要求，主轴的控制使用了半闭环设计。设计内容主要是两方面，一是硬件方面的设计，二是软件设计。设计后的系统可以控制主轴的启动关闭、运转速度、转向、过载控制、异常警报等等；同时车刀安装头采用了可转位设计以便实现自动换刀。

2 主要硬件系统的选用

2.1 变频模块、驱动电机以及卡盘的选用

处于车床自动控制的考虑，主轴的调速使用了变频方式，系统则选用的半闭环设计。对C6140的实际加工工况进行分析计算，选则了合适的变频模块，电机方面，根据扭矩和功率要求，采用的是三相电机，功率7.5千瓦，可实现调速；同时根据实际加工的扭矩和转速特点，选用的是无极调速，且可实现分档变频。主轴的旋转运动是电机控制的，数控系统负责主轴的变速、转向变化、启停等控制。夹紧装置是三爪卡盘，PLC和系统控制卡盘的动作，实际加工时抱死夹紧，加工完毕后松开工件。常用的卡盘通常具有自定心功能，可在卡盘的控制端口设计两个开闭开关，以控制卡盘的动作。

2.2 编码器选用

螺纹的加工对机床的控制要求比较高，通常需要在电机上安装编码器，编码器是和主轴一起转动的，是主轴运动和位置状态的反馈模块，可以感知电机的速度，位置和旋转方向。螺纹的加工，以及丝杠的加工都要求当主轴旋转一转，刀位刚好走单个导程的距离。由车床实际状况可知，可加工的螺纹，最大导程不能超过24毫米，径向单脉冲进给量为0.01毫米，因此电机转一圈需要2400脉冲。编码器的输出有两个相位的信号，这两个相的相位差是π/2，同时根据螺纹加工实际需求，电机每转一周，编码器要发出一零位的脉冲。根据上述分析，选用合适的编码器，编码器的I/O端和系统相应的I/O对接。

3 主轴控制系统设计研究

3.1 变频调速控制

变频器使用的是三菱7.5千瓦变频器，变频器可以实现对变频电机的控制进而对主轴进行调速。在加工条件理想的情况下，可以实现某范围间的光滑调速。系统自带的控制输出端可以被我们利用，AUTO接口的模拟信号能够用作变频器的输入信号，假若使用的是单一极性电平信号，则可以用开关的开闭来控制主轴的启动和关闭，以及正转和反转。根据电路设计，主轴的信号电压大小在负10伏到正10伏之间，最大电流为10毫安，假若使用双极性电平信号，可用enable信号来控制主轴的开启和关闭。编码器的电源输出是正5伏，如果采用TTL差分，波形采用方波，则能够使信号的自稳能力更好。编码器允许的电流大小最大是200毫。

3.2 外部输入输出端口及PLC设计

基于变频与的PLC控制车床，其控制系统，往往建立在机械一档启动、机械二档启动、主轴运行允许，卡盘夹紧启动、卡盘松开启动、主轴速度到达一系列程序基础之上，尤其是对于主轴过载的情况要格外特殊控制。在进行控制的过程中，要分别注意夹紧、制动、松开、一档、二档之间的关系，掌握车床进展的不同程度变化。其中主轴的作用是非常重要的，对于整个车床的制动可以起到非常重要的控制和约束作用，是整个车窗主轴数控系统设计的核心。

3.3 数控及变频器控制

要进行系统设计的过程中，需要注意对于中间继电器的开关进行控制的原则，尤其是管控数控PLC的数据和变频器的协调方式，都可以对于车床的数控设计起到至关重要的影响作用。

有关于主轴控制的序号，根据相关行业规范，操作如下：

主轴的过载信号端A7、高速使能信号端A11、速度已达信号端A6、中速使能信号端A12、主轴驱动使能信号端A3、低速使能信号端A13、启动正转信号端A8、取消制动状态信号端A14、启动反转信号端A9、控制主轴正转的信号端B7、外部制动信号端A10、控制反转的信号端B8、主轴调速高速使能B9、高速使能信号端RH、中速使能B10、中速使能信号端RM、低速使能B11、低速使能信号端RL、控制停止的信号B12、变频制动信号端MRS、正转使能信号端R740、过载异常警报信号端OL、反转使能信号端STF、频率已达信号端SU。

3.4 PLC及外部输入输出设计

常用的三极管有两种类型，一种是NPN型的，一种是PNP型的，本研究在设计输入输出模块时使用的是NPN型三极管。利用光耦合机制，输入模块设计参数为，击穿电压为2500伏，电源采用直流24伏，三极管通路电流在5-9毫安之间，漏电电流小，最大为0.1毫安，滤波耗时最大2毫安。输出模块设计参数为，击穿电压为2500毫安，电源也是直流24伏，电流输出最大为100毫安。

接通输入开关A，光敏开关形成通路，输入信号经由数控系统以及PLC相关端口进入系统的运算模块，运算模块将输入信号按照相应算法进行处理。

输入信号被处理后，数控PLC输出接口信号，当这个接口信号电平为高电平时，第二个光敏开关形成通路，和输出端B相连的继电器KA通电，KA为常开开关，通电时闭合，然后控制变频器的通路接通，这样就可以对主轴的电机进行操作。当接口信号为低电平状态时则不能实现控制。

4 系统调试

在控制逻辑和控制系统设计完毕后，需要对系统的相关响应及状态进行调试。按照之前的PLC系统和输入输出设计，当某个接口或者某个参数被改变时，系统应该能够产生相应的响应动作，根据这个逻辑，可以判断电路和系统设计的正确性。根据实际调试实验，发现机床动作响应与输入状态之间的关系复合设计要求，且可以在显示面板看到相应参数的变化，因此本研究电路和系统的设计是正确的。

5 结语

本研究以普通车床为平台，以华中数控系统作为底层系统，在此基础上进行了主轴控制模块的设计。设计包括对电路及PLC模块进行了硬件层面的设计，同时对数控系统在软件层面进行了二次开发。设计完成后对整个更改后的系统进行了调试，结果表明各项参数都是没有问题的。本研究对数控系统二次开发提供了相应的经验，具有一定的理论和实践意义。

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