邴 旭 侯春明

(沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床始終處于“低檔機(jī)床迅速膨脹，中檔機(jī)床進(jìn)展緩慢，高檔機(jī)床依靠進(jìn)口”的局面，特別是國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目中所需要的關(guān)鍵設(shè)備主要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人。究其原因，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床企業(yè)大多處于“粗放型”階段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度和性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距明顯。

目前，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展期，我國(guó)的機(jī)床企業(yè)面臨著千載難逢的發(fā)展機(jī)遇，國(guó)家也投入了大量的專項(xiàng)資金進(jìn)行新型數(shù)控機(jī)床的研制以及傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控改造。我們每一位機(jī)床行業(yè)相關(guān)的開(kāi)發(fā)者、設(shè)計(jì)者和管理者都應(yīng)該把握這大好機(jī)遇，不斷開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，把設(shè)計(jì)思路由“粗放型”向“高精型”轉(zhuǎn)變。

搖臂鉆床適用于在大、中型工件上鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪平面及攻螺紋等工作，在具有工藝裝備的條件下可以進(jìn)行鏜孔，是鉆削加工的主要設(shè)備之一，作為傳統(tǒng)的老產(chǎn)品已有數(shù)百年的發(fā)展歷史。但是，傳統(tǒng)的搖臂鉆床幾乎完全是手工操作，操作起來(lái)比較費(fèi)事，已經(jīng)不能適應(yīng)于當(dāng)前機(jī)床數(shù)控化的潮流。因此開(kāi)發(fā)電子搖臂鉆床是現(xiàn)階段一個(gè)非常重要的方向。

1 傳統(tǒng)搖臂鉆床的改造方案

國(guó)產(chǎn)某型號(hào)的搖臂鉆床(圖1)是使用較為廣泛的普及型產(chǎn)品之一，產(chǎn)品間的零部件通用化程度較高，從控制上講，需機(jī)、電、液壓等相配合而且要進(jìn)行時(shí)間控制。具有主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及搖臂沿外立柱的垂直移動(dòng)，主軸箱沿?fù)u臂的徑向移動(dòng)及搖臂與外立柱一起相對(duì)于內(nèi)立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后兩者為手動(dòng)。另外還需考慮主軸箱、搖臂以及內(nèi)外立柱的夾緊和松開(kāi)。因此相應(yīng)電動(dòng)機(jī)較多，電路較復(fù)雜，往往因電氣故障而影響生產(chǎn)的進(jìn)行。

機(jī)床從電動(dòng)機(jī)控制方法的角度來(lái)說(shuō)，自簡(jiǎn)單的分級(jí)調(diào)速發(fā)展到變頻調(diào)速，再到現(xiàn)在的伺服控制;從控制系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，自簡(jiǎn)單的手動(dòng)操作到電子化的升級(jí)，現(xiàn)在又發(fā)展到數(shù)控產(chǎn)品，控制功能越來(lái)越完善。但由于數(shù)控系統(tǒng)成本很高，用在搖臂鉆床上不僅大材小用，且隨著制造成本的增加會(huì)使產(chǎn)品的性價(jià)比大幅降低。因此電子化搖臂鉆床是取代普通搖臂鉆床的最佳改造方案。利用可編程邏輯控制器(簡(jiǎn)稱PLC)和變頻器進(jìn)行局部改造，徹底更換電氣系統(tǒng)，改造成具有速度顯示、進(jìn)給選擇、變頻主軸等功能的電子搖臂鉆床。這樣不但能顯著提高搖臂鉆床的工作效率和穩(wěn)定性，還可以直觀地顯示機(jī)床的工作狀態(tài)，方便用戶的操作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)傳統(tǒng)搖臂鉆床進(jìn)行電子化改造，需要徹底更換控制系統(tǒng)。新的控制系統(tǒng)大體上可以分為變頻器和PLC兩大部分。變頻器用于主軸電動(dòng)機(jī)和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的控制，PLC用于對(duì)搖臂鉆床上的傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備的IO信號(hào)進(jìn)行處理。

2.1 變頻器設(shè)計(jì)

目前絕大多數(shù)變頻器都采用矢量控制方式，其基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具有矢量控制功能的變頻調(diào)速產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)是，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，一般可達(dá)100% ～150%額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，負(fù)載能力強(qiáng)，適應(yīng)負(fù)載波動(dòng)大的場(chǎng)合。

目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式兩種。無(wú)速度傳感器矢量控制是通過(guò)坐標(biāo)變換處理，分別對(duì)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，然后通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流辨識(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。本次設(shè)計(jì)采用的是沈陽(yáng)新東電子設(shè)備有限公司的無(wú)速度傳感器矢量控制的XDBP－5.5型搖臂鉆床專用變頻器，低頻特性完全適合搖臂鉆床的機(jī)械和電氣特性。并具有以下主要功能:(1)V/f比恒定控制;(2)無(wú)速度傳感器矢量控制;(3)速度閉環(huán)矢量控制;(4)高壓掉電恢復(fù)自動(dòng)重啟;(5)任意轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)啟動(dòng);(6)單模塊故障旁路功能;(7)異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè);(8)各種故障分類處理，盡可能保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)行。

變頻器配有專用的數(shù)字顯示與設(shè)定面板(圖2)，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給選擇、轉(zhuǎn)速顯示以及直觀地觀測(cè)搖臂鉆的動(dòng)態(tài)變化，用戶也可通過(guò)數(shù)字顯示與設(shè)定面板上的按鍵，設(shè)定主軸和各進(jìn)給軸的速度、深度等參數(shù)。根據(jù)機(jī)床主軸的傳動(dòng)比計(jì)算出變頻器的輸出頻率從而達(dá)到主軸轉(zhuǎn)速的控制與顯示。

使用面板上的功能按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)定的步驟如下:

①按SET鍵，設(shè)置參數(shù);

②按SWIT鍵，選擇需要設(shè)置選項(xiàng);

③按方向鍵，改變參數(shù)值;

④按SET鍵，確定設(shè)置參數(shù);

⑤若需要定程切削，按RU/ST鍵，指示燈亮，啟動(dòng)定程切削功能。若再次按RU/ST鍵，指示燈滅，取消定程切削功能。

2.2 PLC 設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的基于繼電器和接觸器的電氣控制系統(tǒng)相比，PLC控制具有可靠性高、柔性好、開(kāi)發(fā)周期短以及故障自診斷等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于機(jī)床的電氣控制和故障自診斷系統(tǒng)，可以大大減少繼電器等硬件邏輯元件的數(shù)量，提高電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

現(xiàn)在，PLC的種類較多，功能也很完善，品牌不同，價(jià)格差距較大。PLC選擇的基本原則應(yīng)是在功能滿足要求的情況下，保證可靠、維護(hù)使用方便和最佳的性價(jià)比。為實(shí)現(xiàn)上述搖臂鉆床電氣控制的要求，綜合功能、可靠性和價(jià)格等幾方面因素的考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇西門子公司的S7－200小型PLC。

2.2.1 PLC 硬件設(shè)計(jì)

西門子公司的S7－200型可編程控制器采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要選擇輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，然后組合。安裝和調(diào)試比較方便，且具有較快的輸入響應(yīng)速度，并可以進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。根據(jù)搖臂鉆床電氣控制的要求，其輸入輸出均為數(shù)字量。需要PLC檢測(cè)的輸入信號(hào)包括8個(gè)按鈕、6個(gè)限位開(kāi)關(guān)、2個(gè)熱繼電器輸入信號(hào)，共計(jì)16個(gè)。而PLC的輸出控制信號(hào)為6個(gè)繼電器接觸器、3個(gè)指示燈等，共10個(gè)。CPU 226自帶24個(gè)數(shù)字輸入和16個(gè)數(shù)字輸出，能夠滿足需要。該P(yáng)LC的I/O通道分配可根據(jù)其控制對(duì)象的特點(diǎn)和控制要求，將I/O的輸入輸出口與相應(yīng)的電氣設(shè)備相連，從而達(dá)到控制和檢測(cè)的目的，主要的I/O分配如下:

(1)數(shù)字輸入

(2)數(shù)字輸出

2.2.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)搖臂鉆床的控制要求，在編制程序的過(guò)程中，充分考慮了系統(tǒng)的安全性，采用了有互鎖功能的設(shè)計(jì)以減少安全隱患，并添加了急停按鈕以在意外情況發(fā)生時(shí)能夠緊急停車，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。部分PLC程序如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，在傳統(tǒng)搖臂鉆床的基礎(chǔ)上，采用PLC和變頻器控制進(jìn)行電子化改造的搖臂鉆床，從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)都體現(xiàn)了電子技術(shù)在普通鉆床中改進(jìn)的重要性，這種改造是搖臂鉆床未來(lái)的發(fā)展方向。

對(duì)傳統(tǒng)搖臂鉆床的電子化改造，雖然一次性投資較大，但改造后的電子搖臂鉆床大大降低了運(yùn)行的故障率，提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了日常維護(hù)成本，并可避免因誤操作而引起的事故。從實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、效率性上來(lái)看，電子搖臂鉆床比普通搖臂鉆床在各方面都有了很大的提高。改造后的搖臂鉆床經(jīng)使用運(yùn)行，效果非常理想。

相信經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床都將向“高精型”逐漸轉(zhuǎn)變，功能越來(lái)越齊全、性能不斷地完善，我國(guó)的機(jī)床品牌必將在國(guó)際上占有重要的一席。

［1］樓曉春.基于PLC控制變頻調(diào)速的龍門刨床主拖動(dòng)系統(tǒng)改造［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2005(5):131－132.

［2］華懣香，凌志學(xué).三菱FX2N系列PLC對(duì)T68鏜床的改造［J］.機(jī)床電器，2006(1):38－39.

［3］魏召剛.工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，1999.

［4］孫明旗，孫林，于勝.PLC搖臂鉆床電氣控制電路中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工人，2005(11):23 －27.