PLC和交流伺服在数控钻铣床中的应用

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,我们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。

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。

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。

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。

(责编:阿 杰)

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