1、引言

目前，在機械加工企業(yè)中，為了使車床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，充分利用普通車床，就需要對普通車床進(jìn)行機電一體化設(shè)計。設(shè)計方案主要有：一、以微機做為控制單元(主要是單片機)，控制車床的進(jìn)給系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機開環(huán)控制系統(tǒng)；二、人機界面(HMI)、可編程控制器(PLC)作為主控元件，替代傳統(tǒng)車床繼電器－接觸器組成的電器控制部分，其目的是為了提高車床電氣控制系統(tǒng)的可靠性，這種方法主要應(yīng)用在組合車床以及生產(chǎn)線上的專用車床；三、采用專用的數(shù)控設(shè)備來控制車床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，其伺服進(jìn)給系統(tǒng)為步進(jìn)電機開環(huán)控制系統(tǒng)。

這幾種方法各有特點：單片機的控制系統(tǒng)不但能控制車床的運動軌跡，也可以簡化車床的機械結(jié)構(gòu)，但其接口設(shè)計復(fù)雜，可靠性低；而HMI、PLC組成的控制系統(tǒng)接口簡單，可靠性高，但不能控制車床的運動軌跡；專用的數(shù)控設(shè)備不但能簡化車床的機械結(jié)構(gòu)，而且能控制車床的運動軌跡，但其價格昂貴，不適應(yīng)經(jīng)濟型數(shù)控機床。

近幾年隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)及自動控制技術(shù)的發(fā)展，HMI、PLC的功能越來越強；本文提出利用WEINVIEWHMI控制步進(jìn)電機和車床主軸來實現(xiàn)車床的數(shù)控化。

圖1設(shè)備圖

2、方案確定

數(shù)控化是解決車床和運動部分的傳動鏈之間的關(guān)系，傳動鏈主要有：主軸傳動系統(tǒng)、進(jìn)給傳動系統(tǒng)。為了能充分利用人機界面功能，方案設(shè)計如下：

1)主軸傳動系統(tǒng)采用變頻調(diào)速；

2)橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)采用步進(jìn)電機開環(huán)控制；

3)主要技術(shù)參數(shù)：橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.05mm/step，快進(jìn)速度2mm/min；縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/step，快進(jìn)速度1mm/min。

車床總體方案如圖2：

圖2車床總體布局圖

3、機械部分

3.1主軸傳動系統(tǒng)

為了簡化主軸箱的結(jié)構(gòu)，滿足主軸和轉(zhuǎn)矩要求，主軸傳動系統(tǒng)采用三相異步電機經(jīng)皮帶、降速齒輪驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)。

3.2進(jìn)給傳動系統(tǒng)

橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給傳動系統(tǒng)都采用步進(jìn)電機經(jīng)減速齒輪驅(qū)動滾珠絲杠副，推動刀架拖板做插補運動。為了提高進(jìn)給傳動精度，齒輪選用具有調(diào)隙結(jié)構(gòu)的直齒輪，滾珠絲杠副安裝時要預(yù)緊。

4、控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件結(jié)構(gòu)

為了系統(tǒng)便于擴展，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，本控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。它由四個子系統(tǒng)構(gòu)成：人機界面顯示、PLC控制器、變頻器、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊。其控制系統(tǒng)組成邏輯圖如圖3所示，其人機界面選用性能穩(wěn)定、功能強大的WEINVIEWMT8104。兩個步進(jìn)電機選用同型號的反應(yīng)式步進(jìn)電機和相應(yīng)的驅(qū)動器。

圖3控制系統(tǒng)組成邏輯圖

4.2軟件結(jié)構(gòu)

為了便于軟件調(diào)試，軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為以下幾部分：步進(jìn)電機控制模塊、進(jìn)給系統(tǒng)定位控制模塊、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊、元件故障檢測及報警模塊、人機界面監(jiān)控與顯示。通過MT8104，設(shè)定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，實時監(jiān)控、顯示系統(tǒng)運作過程，達(dá)到人機交互操作的友好結(jié)合。

圖4人機界面參數(shù)設(shè)定

元件故障檢測具有很高的可靠性，所以PLC控制系統(tǒng)的大部分故障來自于PLC外部元件，例如常見的有按鈕或行程開關(guān)觸點熔焊及氧化形成的短路或斷路故障。可將系統(tǒng)故障信息實時顯示在觸摸屏畫面上，并提示如何排查幫助，便于用戶處理系統(tǒng)電氣或機械故障問題。

5、系統(tǒng)可靠性保障

系統(tǒng)可靠性主要來源于控制中心單元穩(wěn)定、準(zhǔn)確、及時的反應(yīng)與控制；

人機界面結(jié)構(gòu)及工作原理組成：32bitRISC200MCPU、顯示單元(LCD)、輸入單元(電阻式觸控面板)、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元(64MDRAM/32MFlash)等；

圖5人機界面結(jié)構(gòu)

MT8000系列是WEINTEK自主研發(fā)的人機產(chǎn)品：TouchPanel采用高可靠性精密電阻式工業(yè)級觸控面板，保證了精準(zhǔn)的觸控精度，表面硬度高，觸控壽命長，可維持至少100萬次連續(xù)性操作。

圖6觸控面板

LCD采用國際知名品牌廠商，同最優(yōu)的供應(yīng)商進(jìn)行著緊密合作，并將累積13年HMI行業(yè)的使用經(jīng)驗提供給供應(yīng)商進(jìn)行專案討論和工作改進(jìn)；在主機板上、嚴(yán)格做好穩(wěn)定性、抗干擾性等方面的測試，并外加電源隔離保護(hù)器，確保人機界面在現(xiàn)場使用的可靠性、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。CPU選用32bitRISC200M，快速響應(yīng)PLC請求。串口最高波特率可以達(dá)到115200，保證了HMI和PLC通訊速度。

6、注意事項

由于PLC是循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，所以步進(jìn)電機不能在高頻下運行，脈沖信號頻率只能在十至幾十赫茲范圍。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與控制脈沖成正比，當(dāng)步進(jìn)電機在低頻運行時，為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量又不能太大，這就是定位的時間太長。為了解決這個問題，將定位過程分為脈沖當(dāng)量不同的兩個階段：粗定位和精定位。在機械結(jié)構(gòu)上采用兩套變速機構(gòu)，在粗定位階段由步進(jìn)電機直接驅(qū)動刀架，精定位階段采用步進(jìn)電機經(jīng)降速齒輪來驅(qū)動刀架，兩套裝置有電磁離合器控制。

7、結(jié)束語

用HMI和PLC設(shè)計普通車床，簡單易行，可靠性高，抗干擾能力強。據(jù)WEINVIEW總部不完全統(tǒng)計，90%的銷量應(yīng)用在機床行業(yè)，應(yīng)用前景非常廣闊。