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基于 PLC 的数控机床刀架控制系统改造

2021-1-21 来源：长江工程职业技术学院作者：康永泽

摘要：本文拟就 FANUC 0i-F 数控实训台中四方位回转刀架，通过外部三菱 PLC 的控制，介绍刀架的工作原理，同时也可提高工程技术人员排除或维护刀架水平，降低故障排除时间。

关键词：PLC；电动刀架；主轴

1 、问题的提出

数控车床上使用的回转刀架是一种较为简单的自动换刀装置，也是数控车床重要的组成部分，其应用了自动控制、传感检测等方面的最新技术，是典型的机电一体化产品。合理选配电动刀架，并正确地实施控制，能够缩短故障排除时间，有效地提高生产效率。

根据不同加工对象，自动回转刀架有四方刀架和六角刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。目前刀架的控制，都是由 CNC 内置 PLC 或固化 IO 控制完成，工程技术人员理解刀架的控制比较困难，本文拟就FANUC 0i-TF 数控实训台中四方位回转刀架，通过外部三菱 PLC 的控制，介绍刀架的工作原理，同时也可提高工程技术人员排除或维护刀架水平，降低故障排除时间。数控车床回转刀架动作的要求是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现。

2 、刀架的控制

2.1 自动刀架工作原理

①刀架电动机正转，刀架抬起。正转时，电动机回转运动通过蜗杆蜗轮机构，转化为直线运动，刀架体向上移动。即刀架电动机正转时，通过蜗杆和蜗轮机构将驱动传给丝杠，丝杠轴头固定装有刀架转位定位销盘，刀架体内孔加工有内螺纹，随着丝杠转动，刀架体内弹簧定位销入位，刀架体向上移动，刀架向上抬起。当刀架体升至一定距离后，刀架体上的端面齿和刀架底座上的端面齿脱开。当啮合齿脱开后，通过销钉和止推槽的作用，使得丝杠螺母转动进行换刀。随着刀架的转动，刀架体内刀位定位销退出。②刀架电动机正转寻位。刀架正转进行寻位换刀，PLC 采集霍尔传感器信号，与选定刀号比对，若传感器信号与刀号相等，则刀架停止寻位，即正转停止。③电动机反转，刀架锁紧。到达指定刀位时，刀架电动机停止正转，反向锁紧，完成整个换刀的过程。

2.2 四方电动刀架的控制

四方电动刀架电动机在电气控制设计时要正、反转互锁，电器元件连接时勿接错导线，还要注意电动机三相电源线的相序，实际中可采用相序继电器进行判断。刀架电动机在换刀时必须先正转后反转，这是由四方电动刀架机械结构所决定的，否则会机械卡死，造成电动机过载，损坏电动机。在 PLC 程序设计中，若到位检测信号出现问题，或霍尔元件损坏、刀位信号线断等，则换刀可能不能结束，若正转或锁紧时间过长，PLC 应有相应出错处理程序，提醒操作人员进行检修。电动刀架控制原理图见图 1，接线图见图 2。

图 1 电动刀架 PLC 控制原理图

图 2 电动刀架 PLC 控制接线图

3、主轴的控制

在实训台改造过程中，我们充分利用现有设备，综合考虑学生实际，采用变频器实现对主轴的调速控制。变频器连接示意图见图 3。

图3 变频器与电动机连接示意图

主轴电动机采用西门子 MM420 变频器进行调速控制，MM420 系列有着高性能的 V/f 控制性能，可提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具有很强的过载能力，以满足多种应用场合。使用变频器前，须先熟悉变频器的操作面板，再根据实际应用场景，对变频器的各种功能参数进行设置。电机正反转的控制方式可以有二种，一种是面板控制，一种是开关量端子控制，两种控制方式不同，参数设置也不同。参数设置时应先恢复出厂值，再设电机参数。面板控制法主要参数设置：设 p1000 设为 2，开关量端子不接线，由变频器面板控制电机的正反转。

开关量端子控制主要参数设置：变频器 5、6、7、8 为开关量端子。设 p1000 设为 2，开关量端子 5 接正转控制信号、端子 6 接反转信号时，再设 p0701 为 1，端子 5 上高电平电机正转，低电平停机。设 p0702 为 2，端子 6 上高电平电机反转，低电平停机。后期根据学生的掌握情况，利用PLC 拓展为多段速控制。变频器 MM420 主要参数设置如表 1 所示。

表 1 变频器 MM420 主要参数设置表

注意事项：①接线后一定要参考手册，认真复查，以防接线错误而烧坏变频器，尤其是主电源线路；②在接线时，拧紧变频器内部力不要过大，以防损坏端子；③送电和停电过程中一定要注意安全，特别是停电过程中，一定要让变频器充分放电，LED 全部熄灭才能打开盖板，等待 5min 以上；④在输入变频器参数时，一定要确认，以免发生错误；⑤由于变频器可以切换电机正反转，所以必须注意使用的安全。在正/反转切换时，根据电机功率和工作环境调整加减速时间。更改 P1040 和 P1058、P1059 的值，可改变电动机正常运行速度和正、反向点动运行速度。另外，为了检测主轴电动机的转速，可采用编码器，其接线为图 4 所示。

图4 旋转编码器与PLC的接线图

PLC 通过高速计数器采集来自旋转编码器的信号，由程序计算主轴电动机的转速，从而实现对主轴电动机转速的精确控制。

4、 PLC 控制程序

①刀架正反转控制梯形图如图 5。②当前刀号判定如图 6。③手动选刀控制如图 7。④主轴速度检测。主轴速度检测采用 ZSW610-01C-1200BZ/05L 型旋转编码器。利用PLC 的 X0、X1 端子，采集旋转编码器 A、B 两相高速脉冲数，通过浮点计算，可以较为精确地计算出 FANUC 0I-TF 数控车床装调系统主轴速度。⑤触摸屏控制。本系统改造装置，选用昆仑通泰 MCGSTPC1061Ti 触摸屏，方便学生操作，更加紧密联系实践应用，其画面示意图见图 8。