PLC和交流伺服在数控钻铣床中的应用

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引言   
    在新开发的产品中有一个型号为Q7的长条铝基台，要在上面加工两个φ3.7×1.65的平底盲孔，由于要求精度高，批量大，故无法用传统的钻模在钻床上加工，也很难在传统铣床上面加工，即使能加工效率也很低，并且设备损耗和电力损耗也很大。此工件的加工有着非常广泛的代表性，生产的很多产品有着类似的要求，为此，某公司设计制做了一台用于此类产品加工的设备——通用型数控钻铣床。  
    一、系统概述   
    系统构成如图1所示，控制部分采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。此机床整体虽为半闭环控制，只要选件、装配、程序编制及操作合理，精度和稳定性还是能满足使用要求的。

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                                                 图1

 

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  二、硬件配置   
    PLC选用永宏的FBS-40MCT，该型机具有较高的性价比，体积小，功能强，24点输入，其中有16点高速计数器，频率可达120K，16点输出，其中有4轴步进或伺服输出整合在里面，输出频率可达120K，使应用起来非常方便，接线简捷。编程软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。   
    接点分配：取各轴伺服电机的Z相信号作原点开关，要分接在几个高速输入点上，用中断进行机床原点复归，其余限位开关、操作开关、液位检知等常规接点可按顺序依次接入。X、Y、Z三轴伺服电机连在前3轴伺服输出点，主轴高低速、冷却、报警等接在其余输出点上。   
    X、Y、Z3轴伺服系统均选用相同的，和利时的ES系列全数字交流伺服驱动器0040E-CBCEE-02，和60系列小惯量的伺服电机60CB040C-2DE6E。该伺服系统功能比较完善，如能耗制动、电子齿轮、自动加减速等，具备多种脉冲串输入，保护功能也比较完备，有欠压、过压、过流、过载、堵转、失速、位置超差、编码器异常等。在此设备中按集电极开路驱动方式连接至PLC，最高脉冲输入频率为200K,伺服ON、Z相信号等也做相应连接。   
    变频器选用富凌的DZB70B0015L2A，规格为单相1500W，400Hz，有多步速供编辑使用。由于正常使用时不频繁变速，故速度调节设定不引出，只在变频器操作面板上调节，设定两个速度，高速用于加工，低速用于对刀。调节相关参数与主轴匹配，如基频、基压、运行频率上限、载频等，并改动相应跳线。   
    主轴没有采用传统方式，而是根据加工需要，采用了雕刻机用的电主轴，安阳莱必泰的ADX80-24Z/1型，其体积小、噪音低，直径只有80mm,这样使整个主轴箱便于整体密封，可有效地防止加工中的碎屑飞溅到Z轴的丝杠和导轨上造成损害，也使主轴箱外表显得美观。它的最高转速为24000转/分，使正常工作转速6000-14000转有一个合适的余量范围。   
    人机界面选用人机电子的通用可编程文本显示器MD204L，它可以以文字或指示灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。  
    三、软件设计   
    机床工作的流程图如图2所示，开机后先检测手动开关是否有效，若手动开关有效，即利用各手动控制开关执行手动操作的项目。若手动开关无效，则启动原点复归程序，各轴进行机床原点复归，先回Z轴再回其它两轴，当所有轴都原点复归成功后才能进行到下一步。若刀具和工装夹具、工件程序均没有变动，可复位到加工预备状态而不进行对刀，若需对刀，则打开对刀开关启动对刀程序，3轴分别对刀，即找工件原点，利用手动各轴移动开关快慢移动各轴，使工件的三个面分别碰触低速旋转的刀具，刚好碰上为止。对好后，按对刀OK确认，再输入刀补，经过程序处理，即形成工件原点也就是编程0点，编程时根据此0点按照图纸计算刀具路径，可使操作者思路清晰，编辑运算简单。操作者编辑的是用户程序，可以编辑刀具轨迹，就是各轴移动坐标，还有移动速度、循环加工时的循环次数等。编好程序后或使用当前程序时，即复位到预备状态：各轴移动到初始位—一个合适的位置，装卸工件方便、不易碰触刀具时，装上工件，按启动即可开始加工，主轴运转，冷却液开，各轴按程序设定坐标移动。当加工结束时，机床复位，即各轴又移动到初始位，主轴停，冷却关，这时可卸下工件，完成加工过程。

 

               
                                                 图2

    

   工件的加工流程图如图3所示，以Q7产品为例，胎具上一次装夹15只工件，那么就有30个φ3.7的平底盲孔需要加工，刀具选用φ3.7的2刃钨钢立铣刀，钻削加工，钻削深度1.65mm。在预备状态时紧靠工作台上的定位固定好胎具，按启动后，主轴旋转，待主轴即将达到额定转速时，X、Y轴同时运转到第一加工工位，也就是第一个孔的X、Y工件坐标值，此时冷却液打开、Z轴快速下降到加工区，即铣刀端面即将触及工件加工面，迅速变用缓慢的工进速度开始钻削加工。当加工深度到达设定深度（1.65mm）时，Z轴带动铣刀迅速抬起，抬起的高度为铣刀端面水平方向上碰触不到工件及胎具为准。计数器加1后程序进行比较运算，判断加工是否完了，如否，则X、Y轴继续运转到下一加工工位，再重复Z轴下降加工动作。如加工完了，产量计数器加数、主轴停转、冷却液关闭，同时发出5s声光报讯，用以提醒操作者，各轴移动到初始位：Z轴到上端；X轴到左端；Y轴到外端。卸下胎具后，一个加工周期完成，装上胎具再按启动即开始进行下一轮加工。

 

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                                          图3

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    四、一些着重的电气措施  
    1. 主回路加装漏电断路器，相应回路都安装合适的断路器。   
    2. PLC和伺服系统的电源处都分别加有电源滤波器。  
    3. 各直流继电器线圈都并接反峰二极管，交流接触器线圈并接阻容吸收回路。  
    4. 润滑、主轴冷却都设液位低报警器。  
    5. 伺服控制线、人机界面通讯线等使用屏蔽线，并远离电源线。  
    6. 在拖链内走线，使用耐折的柔性电缆，并尽量增大拖链的弯曲半径。  
    7. 变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。