基于PLC的高速铣削实验台集成控制系统设计.pdf

l 甸 地 基于P L C 的高速铣削实验台集成控制系统设计 Des i gn of i nt egr a t i on cont r ol s ys t em f or hi gh - speed m i l l i ng exp er i m ent pl at f or m bas ed on PLC 吴硕 ，马广君 ，史家顺 ，窦艳 WU S h u o ’ ，MA Gu a n g - j u n ’ ，S Hl J i a s h u n ，D OU Y a n 1 ． 辽宁装备制造职业技术学院，沈阳 1 1 0 1 6 1 ；2 ． 东北大学 机械工程学院，沈阳 1 1 0 0 8 9 摘要文章利用现有的高速电主轴、刀库等实验设备构建一个可自动换刀的高速铣削实验台，结合 其特点和控制要求，采用 “ P C P L C”的结构形式研究和开发了一套基于P C 机的高速铣削实 验台集成控制系统。该系统用P L C 实现前台主轴、刀库、运动控制和切削参数采集功能，用 P C 机实现人机界面及后台管理，并通过P C 机与P L C 之间的通信完成整个系统的控制任务。实 验结果表明 ，所开发的高速铣削实验台集成控制系统系统运行良好，操作方便，人机界面友 好 ，能够实现控制高速铣削实验的控制要求以及切削力和切削温度的检测要求。 关键词高速铣削实验台；集成控制系统；人机界面；P L C 中圈分类号 T P3 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 O l 4 0 6 上 -O l 2 8 - 0 5 D o i 1 0 ． 3 9 6 c l ／ J ． is s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 6 b ． 3 7 0 引言 高 速切 削加工是现代切削加工的发展方 向， 而切削力和切削温度等参数是影 响高速切削技术 研 究 的重要 内容 ，也 是反 应加 工过 程 的重 要参 数 。然而 ，现有 的切削 力、切削温度检 测系统都 是一套独立 的系统 ，设计开发一套数控加工与切 削力 、切削温度检测集成 系统 ，不仅可 以减 少了 部分硬件设备 ，降低 了成本 ，也使 系统功能更加 强大和集 中，便于高速切削的研究 。本文利用实 验室 已具备的高速 电主轴 、刀库等实验设备 ，搭 建一个可 自动换刀的高速切削实验 台，开发 了一 套以P C 机为上位机 ，P L C为下位机 的集成控制 系 统，并对其硬件结构和软件系统进行 了介绍。 1 集成控制系统总体设计方案 1 ． 1高速铣削实验台搭建 高速 铣 削 实验 台要求 能 够 实现 主 轴转 速 在 1 2 0 0 0 r ／ mi n 以上的高速铣削，工作台能够实现横向 和纵向两个方 向的移动 ，能够 自动换刀 ，根据这 些要求 ，结合加工中心的机械结构 ，提 出高速铣 削实验台的搭建方案 。实验台 由底座、立柱、工 作 台、主轴 等部分组 成，实验台的机 构示意图如 图 1 所 示 。 1 ． 2 高速铣削实验台控制要求 1 实现 电主轴的控制 。高速铣削实验台的构 力库 图1 高速 铣削实验台机 构示意图 进 电机 建，最主要的 E 1 的足进行高速铣削实验 ，本 系统的 高速铣削主要体现在主轴的高速，主要是主轴的速 度控制 。另外 ，为了完成 自动换刀功能，主轴需具 有准停功能 ，即换刀前 ，主轴会停 止在一个固定角 度来实现刀具与主轴刀具接口之间的键联接 。 2 实现实验台的进给运动控制 。高速铣削实 验 台的进给运动控制跟数控铣床 的进给运动控制 方法相 同，但实验 台以对高速铣削 的切削参数检 测为主 ，故本 系统的进给运动功能 只设计 了手动 操作 下的点位运动控制和直线运动控制 ，实验 台 的坐标系设定为XOY坐标系。 3 实现 刀库的控制。高速铣削实验台另外一 个重要的功能是实现 自动换刀 ，自动换刀包括选 收穑日期2 0 1 4 - 0 2 -1 7 作者简介吴硕 1 9 8 2一，男，沈阳人，讲师，硕士研究生，研究方向为电气自动化和工业控制技术。 [ 1 2 8 ] 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 0 6 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 匐 化 刀和换 刀两部分 ，选刀是通过对刀盘的控制旋 转 把所选 刀号 的刀旋转到换到位 ，换刀是利用换 刀 机械手把主轴和刀库的刀具相交换 。 4 实现高速铣削实验 台的切削力和切削温度 检测功能。 1 。 3 控制方案的选择 对于控制步进 电机或伺服 电机实现三轴 、四 轴的联动 ，采用运动控制器具有很好 的开放性 ， 但运动控制器需配有专 门的运动控制软件。P L C 脉 冲控制功能同样可以实现运动控制 ，而且P L C 程 序 简单易懂 ，开发周期短、通信 简单 、抗干扰能 力 强。与运动控制器相比，P L C开发相对简单 ，更适 用于本系统对运动控制要求不是很高的场合。 所 以 ，综合 考 虑 系统 的控 制 要求 和 实 际情 况，该系统用P L C 实现前台主轴、刀库 、运动控制 和切 削参数采集功能，用P C 机实现人机界面及后 台管理 ，并通过P C 机 与P L C之间的通信完成整个 系统 的控制任务。 2 集成控制器的硬件设计 2 ． 1集成控制系统硬件结构 根据高速铣削实验 台的控制方案和实验 台的 控制 要求，确定控制 系统 由以下硬件组成如下 1 P C机和P L C；2 电主轴和变频器 ；3 步进 电 机及驱动器 ；4 刀库；5 铣削力测力仪 ；6 自 然热电偶 ，控制系统的硬件机构框图如图2 所示。 墨塑 刀库 、各开关 里 继电 器 、备开关 坐 ． 一 壁 塑 些 ． i 一 P 磊 L C 拦垫 里 磊 脉冲输入 图2 控制 系统硬件 结构 框图 2 ． 2 P C 机与P L C 选择 P C 机作为上位机主要完成人机 界面 的开发 ， P C机 可选用普通配置 的个人P C机 ，带有RS 一 2 3 2 串口。本实验台控制 系统P L C选用西 门子2 0 0 系列 的小 型P LC C P U2 2 4 XP，CP U2 2 4 XP 集成两个模 拟输入通道和一个模拟输 出通道 ，可输入、输出 O - 5 V、一 I O V I O V的电压信号或0 2 0 mA的电流信 号 。两个模拟量输入通道可用于切屑参数信号输 入，一个模拟量输 出通道可以控制变频器来实现 主轴变频调速 。 。 2 ． 3 进给驱动系统确定 高速铣削实验台三个方 向的进给都 由步进 电 机驱动，P L C 输出的高速脉冲经过驱动器进行功率 放大 ，驱动步进 电机转动 ，通过滚珠 丝杠带动工 作 台在三个方 向上移动 。根据控制 系统设计方案 要求 ，以满足主要性能为前提 ，三个方 向均选择 Ki n c o 公司的3 S 5 7 Q一 0 4 0 5 6 型步进 电机 ，配套驱动 器为K M3 5 8 型步进驱动器根据步进 电机驱动器和 P L C内部电路结构 ，以及控制要求，确定步进电机 驱动器和P L C的接线原理图如图3 所示。 P L C l 厂 ’ 卜 、 一 、 彳 _ A 一 图3 步进 电机驱动器 和P L C 接线原理 图 2 ． 4 电主轴控制系统选择 系统 中 ， 电主轴 采 用变 频 器来 实 现无 极 调 速 。根据 电主轴 的参数 ，选择与 电主轴相配套的 西 门子MM4 2 0 变频器 。西 门子变频器内建R S 一 4 8 5 通信 口，可直接与上位机相连 ，实现对变频器的 控制，也可以通过P L C的模拟量模块输出与频率对 应 的模拟量信号来实现对变频器的控制 。本 系统 采用模拟量控制的方案 。根据变频器端子配线图 与电主轴的控制要求 ，确定P L C 与变频器接线的原 理 图如 图4 所 示 。 电主轴上装有高速编码器GE L 2 4 4 ，该编码器 输出脉冲最高频率可达2 0 0 Hz ，输 出脉冲是相位相 差9 O 。 的正弦信号，编码器采用输 出采用长线驱动 方式，接 口为9 针，输 出信号分别为A相输 出A 、 A一 ，B 相输 出B 、B 一 和零位脉冲输 出N 、N一 。为 使P L C 可以接收编码器的输 出脉冲信号 ，可采用光 电耦合器进行输 出信号转换 ，使编码器可 以接入 P L C，其硬件接线图如图5 所示 。 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 - 0 6 上 [ 1 2 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 lI5 似 图4 变频器与P L C接线原理图 ] 上卜 _ 图 5编 码 器 与P LC接 线 原 理 幽 2 ． 5 切削力和切削温度检测系统设计 切 削力 采 用 压 电式 三 向铣 削 测力 仪 进行 测 量 ，系统把测力仪的 电压信号经过动态 电阻应变 仪的滤波和放大后用P L C的模拟量模块进行采集。 切削温度采用 自然热 电偶法 ，将刀具和工件两种 材料作为热 电偶的两极 ，组成 闭合 回路来测量切 削温度 ，同样 电压信号经过信号调理电路的放大 后用P L C的模拟量模块进行采集。切削力和切削温 度检测系统的结构框图如 图6 所示 。 高 嘲 两 速 铣 削 P L C 上位机显 实 示与记录 验 自 然 热 电 偶 } 信 号 调 理 电 路} 厶 口 图6 切 削力和切 削温度检测系统结构框图 2 ．6 操作面板设计 高速铣削实验台如图7 所示 ，面板主要分布总 电源 、启动 、停止 、急停按钮 ；总 电源 、控制 电 源 、报警指示灯 ；液压 、气压 、冷却 、切 削液选 择开关 ； x、一 X、 Y、一 Y点动按钮 ；主轴正转、 主轴反转 、主轴停按钮 。这 些按钮 、开关通过 电 缆把I ／ O信号输入Y lJ P L C中，由P L C实现 实验 台的 各控制功能 。 [ 1 3 0 1 第3 6 卷第6 期2 0 1 4 - 0 6 上 图7 高速铣削实验台操作面板 3 集成控制系统软件设计 3 ． 1系统软件结构设计 系统 采用模块化控制 系统 ，系统软件 包括控 制功 能模块 和管理功能模块 两部分 。其 中控制功 能模块 包括 手动加工 、切 削力、切 削温 度采集 和显示 、工作 台坐标显示 。管理模块 包括 控 制 参数设置 、切削数据管理、控制系统通信。 如果按 系统实现的功能来划分 ，本 系统 可以 分 为数控 加工 模 块和切 削 力 和切 削温 度 检测 模 块 。数控 加工 模块 主 要包 括 主轴 控制 、 刀库 控 制、工作 台运动控制和辅 助控制模 块，切 削力和 切削 温 度检 测模 块主 要包 括 数据 采 集 、数 据 分 析、数据存储模块 。系统的软件结构如图8 所示 。 主 轴 控 制 系统软件 数控加工 刀 库 控 制 进 给 控 制 切削力和切削温度检测 数 据 采 集 数 据 分 析 数 据 存 储 实时控制 l l 非实时管理 图8系统 的软件结构 3 ．2 系统工作流程 系统软件 的主要任务就 是在实验台的人机界 面设定工作台运动参数 、主轴转速 、换刀号 ，根 据参数的设 定手动完成点动、原点返回、 目标定 位、进给 、主轴控制、 自动 换刀等功能，并在高 速铣削 中进行切削力和切削温度的检测和数据处 理，系统的工作流程图如图9 所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m