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第 1期 2 0 1 6年 1月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c hi ne To o l Aut o ma t i c M a n uf a c t ur i ng Te c h ni q u e No． 1 J a n ．2 0 1 6 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 6 0 1 0 0 9 8 0 3 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． r n m t a mt ． 2 0 1 6 ． O 1 ． 0 2 7 基于 P L C和变频器的 C 6 5 0卧式车床主轴 电机 多段速系统设计 术 乔 东凯 ， 陈 军 广东石油化工学院 机 电工程学院， 广东 茂名 5 2 5 0 0 0 摘要 阐述 了C 6 5 0卧式车床主轴 转速控制的现状和缺 点， 并介 绍 了采 用可编程控制 器和 变频器对 C 6 5 0卧式车床 的主轴进行转速控制 的具体方法， 从 而实现 了对 主轴 多段调 速的 目的。实践证 明该 方法经济实效 ， 对其它类型的机床 电气改造具有借鉴和指导意义。 关键词 可编程控制器 ； 变频器； 车床 ； 主轴 多段速 中图分类号 T H1 2 2； T G 6 5 文献标识码 A Th e M u l t i - s p e e d Sy s t e m De s i g n o f C65 0 Ho r i z o n t a l La t h e Sp i n dl e M o t o r Ba s e d o n PLC a n d I n ve r t e r Q I A O D o n g - k a i ， C H E N J u n C o l l e g e o f E l e c t r o me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f P e t r o c h e mi c a l T e c h n o l o g y ，Ma o m i n g G u a n g d o n g 5 2 5 0 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t Th i s p a p e r e l a b o r a t e s t h e c u r r e n t s i t u a t i o n s h o r t c o mi n g s o f s p i n d l e s p e e d c o n t r o l o f C6 5 0 h o riz o n t a l l a t h e ，a n d d e s c rib e s t h e s p e c i fic me t h o d s ，a d o p t i n g PLC a n d i n v e rte r ，t o c o n t r o l s p i n d l e s p e e d o f C6 5 0 ho riz o n t a l l a t he，i n o r d e r t o a c h i e v e t h e p u r p os e o f mu l t i s p e e d o f s p i n d l e． Ke y wo r d sP LC；i n ve r t e r；l a t he； mu l t i - s p e e d o f s p i n d l e 0 引言 1 调速改造方案 C 6 5 0车床广泛应用于旋转工件 的车削加工， 可 以 加工内、 外圆、 圆锥面 、 端面、 镗孔 、 割槽、 钻孔 、 滚花 ， 亦 能车削常用的公制和英制螺纹 J ， 对于不同的加工工 艺， 需要主轴电动机输 出不同的转速。C 6 5 0车床主轴 转速的多段性， 是通过几个不同的齿轮之间的啮合来 实现的 。一直以来， C 6 5 0卧式车床的主轴转速的选 择都是通过转动手柄到不同的刻度上来改变的， 要改 变主轴转速时 ， 必须在主轴停止的情况下 。速度转 换时要转动手柄 ， 操作起来非常不便 。有时候需要频 繁地更换其主轴转速， 加快了齿轮之间的磨损， 导致转 速达不到要求。此外 ， 齿轮在运转 时， 会出现噪声大 ， 启动 、 传动时不平稳 ， 换速时冲击大等问题 。为 了 延长机器使用年限和方便操作人员使用 ， 同时考虑到 经济因素， 对 C 6 5 0车床进行 小型化改造具有重要意 义 ， 同时该方法对其它机床类设备 的电气改造具有借 鉴 和指 导意义 。 通过调节变频器的参数使不同输出端口具有不同 频率信号， 再将 P L C的输出端 口接至对应信号的输 出 端 口上来实现主轴多段调速控制的目的。 未改造前 ， 主轴调速是通过齿轮减速箱 中不 同齿 轮之间的啮合 ， 即齿数少的齿轮来带动齿数多的齿轮 来达到减速的目的。机床改造后 ， 用 P L C 、 变频器和三 相异步电机来代替整个减速箱 ， 实现主轴电机的有级 调速 。 1 调速原理 三相异步电机的转速 n 1一s 6 O f p 1 式 1 中 n 一三相异步电动机转速； p ～磁极级数 ； 产 频率 ； s ～转差率。 通过公式 1 可知， 改变变频器的频率就可 以达 到调节电机速度的效果 ， 且变频器频率／可 以在 0～ 4 0 0 H z的范围内变化 ， 对于变频电动机转速调节范 围 非常宽 ， 普通三相异步电动机因为结构和制造的原 因其频率调节范围会小一些 。 2 P L C及变频器的选择 收稿 日期 2 0 1 5一 O 1 2 7； 修 回日期 2 0 1 5 0 3 0 9 基金项目 广东省茂名市科技计划重点资助项 目 5 1 2 0 6 0 作者简介 乔东凯 1 9 7 4 一 ， 男， 安徽安庆人， 广东石油化工学 院副教授 ， 博 士研究生 ， 研究方 向为机械制造及其 自动化 ， Ema i l q i a o d o n g k a i 1 6 3 ． c o rn 。 2 0 1 6年 1月 乔东凯， 等 基于 P L C和变频器的 C 6 5 0卧式车床主轴电机 多段速系统设计 9 9 根据 C 6 5 0卧式车床主轴所采用 的电机的型号和 变频器控制电机的特点， 并考虑到经济性， P L C选择 A B Mi c r o 8 3 0 2 0 8 0 - L C 3 0 - 2 4 Q WB ， 其输入点 1 4个 ， 输 出点为 1 0个。为使电机能有多种速度 ， 选择有 4个数 字量输人端 口和 8 种预设置速度的 P o w e r F l e x 4 0变频 器 。 3 P L C与变频器的连接设置 如图 1 所示 ， P L C的输出端 口D O _ 0 1 、 D O _ 0 2 、 D O 一 0 3、 DO _O 5 、 D O -06 、 D O_ 0 7分别接变频器端 口0 1 、 0 2 、 0 3 、 O 5 、 0 6 、 O 7 端 口。为了防止输出端子公共端流过过 大电流， 将 P L C的 C O M O C O M 3接在一起。 图 1 P L C与变频器的接线图 4 电机的多段速控制 三相异步电机采用三线制控制 ， 需要将变频器的 启动源[ P 0 3 6 ] 的参数设置为 1 ， 其正转、 反转和停止分 别通过变频器 的端 口O 2 、 0 3和 0 1来实现的。因为变 频器的预置频率参数只有 8个， 只需要使用三个数字 量输入端 口， 如表 1 所示。 表 1 多段速的频率参数与对应端子 对应的 输入端子开关状态 段速序号 频率参数 0 5端子状态 0 6端子状态 0 7 端子状态 1 A0 7 0 0 0 0 2 A0 7 l 1 O 0 3 A0 7 2 0 1 0 4 AO 7 3 1 1 O 5 A0 7 4 0 0 l 6 AO 7 5 1 0 1 7 A0 7 6 0 1 l 8 A0 7 7 1 l 1 对于电机的多段速的控制 ， 需要将变频器的 P 0 3 8 [ 速度基准值] 参数设置为 4 ， A 5 0 1 、 A 5 0 2和 A 5 0 3数字 量输入参数设置为 4， 由变频器的端 口0 5 、 0 6和 0 7来 实现 ， 并 由变频器 的预先设 置频率参数 A 0 7 0一A 0 7 7 来保存 8个多段速频率值。要设置的变频器参数如表 2所示 。 表 2 变频器参数设置 通过 P L C的按钮 D I _ 0 0 、 D I -01 、 D I _ 0 2分别来控制 电动机的正传、 反转和停止， 将 P L C的输出端 口 D O 一 01、 DO _0 2 、 D O - 03 、 D O -05 、 D O _ 0 6 、 D O_ 0 7分别接变频 器端 口0 1 、 0 2 、 0 3 、 0 5 、 0 6 、 0 7端 口。另外， 将 C O M 口接 在 1 1 端 口， 提供 2 4 V电源。正转和反转只有在变频 器接通电源后才能进行 ； 变频器只有正反转都不工作 的时候才能切断电源。 电机正转的不同频率控制程序如图 2所示。 I o_ EM D 0 0 2 正转控制 图2 电机正转的不 同频率控制 图2中， 当 m1 ～m 8中任一个频率信号有效 ， 并且 按下正转信号按钮时 ， 电动机正转。当按下停止按钮 时， 电机停止运行。当电动机正在反转时， 不能正转。 电机反转的不同频率控制程序如图 3 所示。 I LEM_ D O． o 3 反转控制 图 3 电机反转的不 同频率控制 图 3中， 当 m1 ～ m 8中任一个频率信号有效， 并且 按下反转信号按钮时， 电动机反转。当按下停止按钮 时， 电机停止运行。当电动机正转时， 不能反转。 电机正转、 反转和停止控制程序如图4所示。 1 0 0 组合机床与 自动化加工技术 第 1期 姐 目IO E m 1 0。 。 ⋯一 阿 } 反转信号 停止接钮 I OE MlD0_ 01 停止控制 1 3 3 1 O 正转信号 m 1 1 反转信号 圈 4 电机 的 正转 、 反转 和 停止 控 制 图4中， 当按下停止按钮时， 电动机停止， 并使正 转信号 ml 0和反转信号 m l 1复位； 当按下 正转按钮 时， 发送出一个正转信号 ml 0 ， ml 0常开触点闭合并且 形成 自锁 回路 ； 当按下反转按钮时， 发送出一个反转信 号 m l 1 ， ml 1 常开触点闭合且形成 自锁回路。 电机频率的选择控制程序如图 5所示。图 5中， 当按下频率选择按钮 I O E M D I 一 0 3～I O E M D I 一 1 3 ， 相应的频率信号 ml ～m 8通电并 自锁 。当按下停止按 钮时， 频率信号 ml ～m 8信都将复位。 第 率信 第二频率信号 第三频率信号 m 4 第四频率信号 第五频率信号 m 6 第六频率信号 停止控制 第七频率信号 1 3 1 8 第八频率信号 图 5 电机频率的选择 电机第七、 第八频率选择控制程序如图 6所示。 1 0』 M D0 0 5 变频器端口5 1 0J M lD0 _ 0 6 变频器端口6 I OE M』 0 _ 0 7 变频器端口7 图 6 电机第七、 第八频率选择 如图6所示， 并结合表 1所示， 当第二、 第四、 第六 和第八频率接通时， 变频器端 口5有输出； 当第三、 第 四、 第七和第八频率接通时， 变频器端口 6有输 出； 当 第五、 第六 、 第七和第八频率接通时 ， 变频器端 口7有 输出。 2 结束语 针对 C 6 5 0车床以前采用的通过转动手柄来调速 的手工操作方式 ， 该方法 自动化程度低 ， 齿轮传动副磨 损大 ， 设备经常出现故障， 工作效率较低 ， 为了提高效 率 ， 该设备的电气化多段速控制改造势在必行 。针对 原系统的不足之处， 本设计从电气控制方案 、 元器件选 型及机加工系统现场环境等诸多不利 因素综合考虑， 对 C 6 5 0车床的主轴多段速进行了电气化改造 ， 经改造 后的该设备控制 电路简单 ， 稳定性和可靠性也大大增 强， 实操非常方便， 变频调速拥有节能、 容易实现对现 有电动机的调速控制 、 可以实现大范 围的高效连续调 速控制 。设备改造后至今从 未出现过故 障， 工作 效率为 1 0 0％， 系统工作的稳定性、 安全性和可靠性得 到了保证 ， 受到了行业人员的一致好评。 [ 参考文献] [ 1 ]陈山． 变频器基础及使用教程[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ]付涛， 王大镇 ， 弓清忠， 等．基于改进型 B P神经网络和 N S G A I I 遗传算法的机械零件多 目 标优化[ J ] ． 组合机床 与自动化加工技术， 2 0 1 3 9 3 9 4 1 ． [ 3 ]方祖元， 张江陵， 倪装铭， 等．高精度主轴稳速电路 [ J ] ． 微特电机， 1 9 9 3 6 2 93 1 ． [ 4 ]陈小安， 康辉民， 合烨， 等．无速度传感器矢量控制下高 速电主轴动态性能分析 [ J ] ．机械工 程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 7 9 61 0 1 ． [ 5 ]贾晓鸣．车削阶梯形零件的切削速度选择[ J ] ． 机械设计 与制造， 1 9 9 2 3 4 2 4 3 ， 4 6 ． [ 6 ]陈伟， 李永利， 周超英．基于模糊自适应 P I D控制的机床 主轴交流调速系统 的研 究[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 5 1 2 9 61 0 0 ． [ 7 ]赵国勇 ， 郑光明， 刘晨希．基于四次多项式的数控加工运 动处理算法研究[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 4 2 1 31 5 ． [ 8 ]刘涛， 陈明．基于人机工程学的数控机床设计与分析 [ J ] ．组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 4 1 1 4 9 5 2 ． [ 9 ]乔东凯 ， 黄崇林．P L C在 C 6 5 0卧式车床电气控制线路改 造中应用[ J ] ． 装备制造技术 ， 2 0 0 8 1 6 2 6 3 ． [ 1 0 ]吴晓， 堵俊， 羌予践．机床主轴定位速度控制 的研究 [ J ] ．机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 7 3 1 73 1 9 ． 编辑李秀敏 本刊欢迎订阅 欢迎在线投稿 欢迎刊登广告 h t t p f f WW W． z h j c z ． e o m。 c a _ v v v _ ， ‘ ， t - 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