摘要：根據(jù)立式車床的工作特點(diǎn)以及實(shí)際工作需要，基于PLC設(shè)計(jì)了立式車床各系統(tǒng)，分析了立式車床的自動(dòng)化控制過程。實(shí)踐證明，基于PLC的立式車床控制系統(tǒng)提高了工件的加工精度，降低了企業(yè)加工成本。

關(guān)鍵詞：立式車床;繼電器控制;PLC

0 引言

PLC即可編程控制器，是一種以微電子技術(shù)作為理論基礎(chǔ)的工業(yè)控制裝置[1]。相較于傳統(tǒng)的繼電器控制方法，PLC控制有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）PLC沒有連接觸點(diǎn)，使用壽命較長，具有程序自我檢測(cè)和診斷功能，保證工作的可靠性;（2）不同于傳統(tǒng)的并行工作模式，采用串行接口，不會(huì)受到其他系統(tǒng)干擾;（3）不同于傳統(tǒng)的硬接線方式，采用軟接線方式，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制和功能添加的目的;（4）PLC電路一般內(nèi)置有計(jì)時(shí)芯片，通過晶體震蕩產(chǎn)生脈沖進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有較為精確的自動(dòng)計(jì)時(shí)方式，且不會(huì)受到外界影響。

1 立式車床整體設(shè)計(jì)方案

1.1 ? ?機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的立式車床主要用于軸類、盤類等工件的自動(dòng)加工，需要實(shí)現(xiàn)的功能包括主軸變速和制動(dòng)、刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)換、進(jìn)刀方向和進(jìn)刀速度自動(dòng)調(diào)整、橫梁自動(dòng)控制等，對(duì)比人工加工方式，具有更高的加工精度，操作方法和保養(yǎng)流程較為簡單。

主軸傳動(dòng)和控制設(shè)計(jì)。主軸傳動(dòng)動(dòng)力來源有兩種：一是采用交流主軸電動(dòng)機(jī)，二是采用直流主軸電動(dòng)機(jī)。交流主軸電動(dòng)機(jī)的控制精度和自動(dòng)控制能力均優(yōu)于直流電機(jī)，但是在電機(jī)處于較低轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的問題。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的工作穩(wěn)定性，但是控制精度不夠理想。因此，直流伺服電動(dòng)機(jī)是一個(gè)理想的選擇，直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的機(jī)械線性控制功能，可以作為車床主軸傳動(dòng)的動(dòng)力來源[2]。在主軸傳動(dòng)系統(tǒng)中加入編碼器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，同時(shí)，安裝的同步齒形傳動(dòng)皮帶，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的反饋控制。

絲杠設(shè)計(jì)。常規(guī)的傳動(dòng)絲杠用于手動(dòng)車床，在車床啟動(dòng)加工過程中，絲杠的穩(wěn)定性對(duì)于工件加工的精度影響較大，所以傳動(dòng)絲杠對(duì)于數(shù)控車床并不適用。本文設(shè)計(jì)絲杠時(shí)，采用滾珠結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠具有極佳的耐磨損性能，工作可靠性高，使用壽命長[3]，在車床啟動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生較大的上下振動(dòng)，加工過程平穩(wěn)。

1.2 ? ?電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括對(duì)車床各種電路元件的連通和斷開控制、電路的過載保護(hù)、電動(dòng)機(jī)的智能控制等。電氣系統(tǒng)需要控制的電動(dòng)機(jī)包括液壓泵電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)、垂直刀架位移電動(dòng)機(jī)、側(cè)刀架位移電動(dòng)機(jī)、橫梁位移電動(dòng)機(jī)。

主控制電路設(shè)計(jì)。主控制電路是實(shí)現(xiàn)車床自動(dòng)化控制的重要部分，主控制電路元件主要包括熔斷器、電路開關(guān)、交流接觸器、低壓斷路器、繼電器等。主控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電動(dòng)機(jī)、冷卻泵、冷卻風(fēng)扇、變壓器等的過載保護(hù)和通斷控制。

能耗制動(dòng)電路設(shè)計(jì)[4]。這是本文電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大特色，不采用直接斷開電動(dòng)機(jī)電路的方法進(jìn)行制動(dòng)，直接斷開電路，電動(dòng)機(jī)會(huì)由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間，這對(duì)于工件的加工精度具有較大影響。能耗制動(dòng)是通過將交流電切換到直流電，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，利用慣性產(chǎn)生制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的精確制動(dòng)。能耗制動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，可以使電動(dòng)機(jī)即開即停，從而提高工件加工精度。

1.3 ? ?控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需要，立式車床將控制系統(tǒng)分成4個(gè)模塊：編程模塊、編譯模塊、執(zhí)行模塊、通信模塊。編程模塊具有圖形庫管理、梯形圖編輯、指令語句編輯功能;編譯模塊具有指令表管理以及梯形圖編譯功能;執(zhí)行模塊具有程序指令的檢查執(zhí)行以及數(shù)據(jù)的輸出功能;通信模塊具有編程結(jié)果的讀取以及數(shù)據(jù)輸出的控制功能。

2 自動(dòng)化控制過程分析

2.1 ? ?控制流程分析

在立式車床開始啟動(dòng)后，會(huì)優(yōu)先啟動(dòng)橫梁控制系統(tǒng)。首先，橫梁進(jìn)行上下移動(dòng)調(diào)整放置工件的位置，此時(shí)橫梁的夾緊機(jī)構(gòu)放松，當(dāng)工件擺放位置正確時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)固定工件并進(jìn)行下一步操作，開始刀架的控制流程。刀架控制流程中，先選擇使用垂直刀架或者側(cè)刀架，選擇完畢后，刀架執(zhí)行快速進(jìn)刀調(diào)整工作，調(diào)整刀具與工件的相對(duì)位置，確定進(jìn)刀速度和進(jìn)刀方向。最后進(jìn)入主軸的控制流程，此過程中先對(duì)主軸變速進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成功后對(duì)主軸制動(dòng)進(jìn)行檢查，并對(duì)主軸點(diǎn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，之后就可以進(jìn)行工件加工工作。

2.2 ? ?PLC硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ? ?能耗制動(dòng)控制電路

能耗制動(dòng)控制電路包括的電子元件有主接觸器KM1、能耗制動(dòng)接觸器KM2、連通開關(guān)K1/K2、時(shí)間繼電器KT、熱繼電器FR、電動(dòng)機(jī)M。能耗制動(dòng)控制電路的控制過程如下：首先連通開關(guān)K1接通，主接觸器KM1線圈通電，電流經(jīng)過熱繼電器FR，電機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。斷開連通開關(guān)K2，主接觸器KM1線圈斷電，主電路切斷，能耗制動(dòng)接觸器KM2和時(shí)間繼電器KT進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)是直流供電狀態(tài)并且轉(zhuǎn)速較低，經(jīng)過極短的時(shí)間電動(dòng)機(jī)停止工作，斷開能耗制動(dòng)電路，能耗制動(dòng)接觸器和時(shí)間繼電器均停止工作。

2.2.2 ? ?啟動(dòng)控制電路

本文設(shè)計(jì)的啟動(dòng)控制電路是星三角控制電路，是一種低壓啟動(dòng)控制電路，這種啟動(dòng)方式可以降低設(shè)備漏電風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車床的低電壓啟動(dòng)控制，需要選擇的電子元件包括啟動(dòng)開關(guān)QF、熔斷器、接觸器KM、三角形接觸器KM1、星形接觸器KM2、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M、隔離開關(guān)K1/K2。啟動(dòng)控制電路圖如圖1所示，連接開關(guān)QF，KM和KM△線圈通電，KM△-1和KM△-2閉合，電動(dòng)機(jī)線圈為星形接法（星形接法是指電機(jī)繞組三相末端接在一起），KM△-3斷開，KM△和KMY處于互鎖狀態(tài)，KM-1閉合互鎖裝置，KM-2閉合，電機(jī)線圈從星形接法開始轉(zhuǎn)變成三角形接法，KM-3閉合電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)依然為星形連接狀態(tài)。時(shí)間繼電器KT的延時(shí)時(shí)間到達(dá)后觸點(diǎn)開關(guān)斷開，KM1線圈斷電，KM△-1和KM△-2斷開，KM△-3閉合，此時(shí)KMY線圈通電，KMY-1斷開，時(shí)間繼電器線圈斷電，KMY-2斷開，保證KM△處于自鎖狀態(tài)，KMY-3閉合，電動(dòng)機(jī)線圈為三角形連接狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)需要停止工作時(shí)，按下隔離開關(guān)SB2才能使所有線圈斷電。

3 結(jié)語

本文根據(jù)立式車床的工作特點(diǎn)以及實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)了全新的PLC控制電路，取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，不僅提高了工件的加工質(zhì)量和加工效率，而且避免了加工過程中出現(xiàn)人為誤差，該控制方式具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-08-21

作者簡介：黃爽（1976—），女，浙江臺(tái)州人，碩士，講師，研究方向：機(jī)電設(shè)計(jì)及控制。