基于PLC机床铣削加工控制系统.docx

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基于PLC机床铣削加工控制系统

基于PLC的机床铣削加工控制系统

（系统调试部分）

【摘要】

机床铣削是根据特定工件规定的加工工艺要求而设计制造的一种高效自动化专用加工设备。

能够对工件进行钻、扩、镗、铣等加工，并且具有自动化循环的功能，在机械制造业的成批和大量生产中得到了广泛的应用。

铣削机床是在工件表面上进行铣削的一种高效自动化专用加工设备，可用于对铸件、钢件及有色金属件的大平面铣削，一般用于柴油机、拖拉机等行业箱体类零件加工。

可以把机械加工设备的功能、效率、柔性提高到一个新的水平，有利于提高产品的加工质量、生产效率，降低设备故障率，其经济效率显著。

本文介绍了三菱FX3U系列PLC以及变频器拖动工作台移动，步进电机和伺服电机分别拖动主轴和钻孔电机上下进给在铣削组合机床控制系统中的运用。

简述了PLC控制的过程，分析了控制的内容以及要求从而设计出电气控制电路，采用梯形图编程方式，用顺序控制的设计思路编写了控制程序，实现了机床的自动循环加工，大大提高了其自动化程度和工作效率。

【关键词】

PLC、步进电机、伺服电机、变频器

第一章系统的方案和控制要求1

1.1课程研究背景1

1.2系统方案2

1.3控制要求3

1.4章节安排3

第二章基础知识概述4

2.1三菱PLCFX3U的介绍4

2.2两相混合式步进电机介绍5

2.3两相混合式步进电机驱动芯片介绍7

第三章系统的整体调试9

3.1调试流程图介绍9

3.2硬件部分检测10

3.2.1PLC电路检查10

3.2.2步进电机驱动器线路检查12

3.3调试过程中的故障及分析13

小结16

致谢17

参考文献18

附录19

第一章系统的方案和控制要求

1.1课程研究背景

随着经济的飞速发展，我国的加工制造业也随之发展迅速，为了满足各个行业领域对零部件的需求，我国加工制造技术不断的发展更新，加工规模不断扩大。

加工制造行业中的铣削加工技术，经过在多年的生产实践中的研究和探索；技术不断更新升级，在加工效率、加工精度、加工质量上不断提升，在加工尺寸上也更加细微化。

铣削是以铣刀的旋转运动为主的运动，以铣刀或工件作进给运动的一种切削加工方法。

它的特点是：

1.采用多刃刀具加工，刀刃轮替切削，刀具冷却效果好，耐用度高。

2.铣削加工生产效率高、加工范围广，在普通铣床上使用各种不同的铣刀可以完成加工平面（平行面、垂直面、斜面）、台阶、沟槽（直角沟槽、V形槽、T形槽、燕尾槽等特行槽）、特形面等加工任务。

加上分度头等铣床附件的配合运用，还可以完成花键轴、螺旋轴、齿式离合器等工件的铣削。

3.铣削加工具有较高的加工精度，其经济加工精度一般为IT9-IT7，表面粗糙度Ra值一般为12.5um-1.6um。

精细铣削精度可达IT5，表面粗糙度Ra值可达0.20um。

正因为铣削加工具有以上特点，它特别适用模具等形状复杂的组合体零件的加工，在模具制造等行业中占有非常重要的地位。

随着数控机床的快速发展，铣削加工在机械加工中的作用越来越重要，尤其是在各种特行面的加工中，有着其他加工方法无法比拟的优势。

目前在五坐标数控铣削加工中心上，甚至可以高效率的连续完成整件艺术品的复制加工。

1.2系统方案

机床铣削加工设计方案图如图1-1所示。

图1-1机床铣削加工设计图

铣削加工方式：

主轴加工深度设置范围为2cm，钻孔深度设置范围为2cm（加工时，刀具进给忽略刀具至工件的距离）参数设置时，如果主轴加工深度设置值大于或等于钻孔深度，提示信息将变成“提示信息：

参数设置错误”

主轴电机及钻孔电机均回到原位，所以加工模式需要两台电机在原位时才能起到（即SQ1和SQ3压合，为调试方便，只需要启动时满足即可）。

SA1~SA4初始均置于右位，当检测到信号时置于左位。

按下按钮SB1后，设备运行指示灯HL1闪烁（0.5HZ）；5秒内如果未有加工工件放入，则HL1加快闪烁提醒（1HZ），当工件传感器（SA1）检测到工件，则HL1常亮，设备开始加工过程，M3以10HZ正转运行，同时主轴电机M1电机正向启动，同时M3电机以20HZ反向启动，带动工件返回至B点（SA2有信号）；到达B点后，M1、M3电机停止，步进电机M4回到原点；当M4电机回到原点后，M3电机以30HZ正转，再次带动工件至C点（SA3有信号）后停止；此时，M2电机启动，伺服电机M5按设置的参数下降到位，进行钻孔加工，M5下降到位后，随即返回原位，当M5电机到达原点后，M2电机停止；此时M3电机再次启动，以40HZ速度正向运行到D点等待，等待时间由KT设置（初始设置为3秒），等待期间有取料设备将加工完成的工件取走（次过程不考虑）。

此时加工过程结束，HL1指示灯闪烁（0.5HZ）,再次放入工件后，工件传感器检测到后，设备将继续对工件进行加工。

按下按钮SB2后，设备将完成当前工件的加工后，HL1熄灭。

1.3控制要求

主轴电机M1由一台双速电机拖动【主轴电机M1要求能进行低速正、反转，停止时均要进行串电阻反接制动（制动时间自行调试，不允许出现制动后电机反方向旋转的现象）】；钻孔电机M2为三相异步电动机（不带速度继电器），只进行单向正转运行；传送带电机M3为三相异步电动机（带速度继电器），由变频器进行多段速控制【设置参数变频器设置为第一段速为10H、，第二段速为20HZ、第三段速为30HZ、第四段速为40HZ、第五段速为50HZ，加速时间0.5秒，减速时间0.5秒】；主轴上下进给运行由步进电机M4拖动，步进电机旋转一圈，拖动主轴移动1cm【设置参数：

步进电机，正向旋转脉冲频率300HZ；反向旋转脉冲频率600HZ；步进驱动器设置为2细分，电流设置为1.5A；正转对应主轴电机向下进给】；钻孔电机上下进给运行由伺服电机M5拖动，伺服电机旋转一圈，拖动主轴移动1cm【设置参数：

伺服电机旋转一周需要1000个脉冲，正转转速为1圈/秒，反转转速2圈/秒；正转对应钻孔电机向下进给】组成。

1.4章节安排

第一章系统的方案和控制要求，主要介绍本课题背景、意义及研究设计内容。

第二章基础知识概述，论述本次课题设计的基本原理。

第三章系统的调试、主要描述了机床铣削加工的调试方案。

第四章总结，主要对本课题的设计研究内容进行总结。

第二章基础技术概述

2.1三菱PLCFX3U的介绍

机床铣削加工所采用的PLC为三菱FX3U如图2-1所示。

图2-1三菱PLCFX3U

一、三菱PLCFX3U的性能

1.第三代微型可编程控制器。

2.内置高达64K大容量的RAM存储器。

3.内置业界最高水平的高速处理0.065μS/基本指令。

4.控制规模:

16~384（包括CC-LINKI/O）点。

5.内置独立3轴100kHz定位功能（晶体管输出型）。

二、三菱PLCFX3U的主要特征

1.最大384点的输入输出点数

可编程控制器上直接接线的输入输出（最大256点）和网络（CC-Link）上的远程I/O（最大256点）的合计点数可以扩展到384点。

2.可以连接的扩展单元/模块

输入输出的扩展设备可以连接FX2N系列的输入输出扩展单元/模块。

此外，FX0N/FX2N/FX3U系列特殊功能单元/模块最多可以连接8台。

（FX0N系列仅可以连接FX0N-3A）

3.程序内存

内置了64K步的RAM内存。

此外，可以通过使用存储器盒，将程序内存变为快闪存储器。

4.运算指令

除了浮点数、字符串处理指令以外，还具备了定坐标指令等丰富的指令。

5.内置RUN/STOP开关

可以通过内置开关进行RUN/STOP的操作。

此外，也可以从通用的输入端子或外围设备上发出RUN/STOP的指令。

6.支持RUN中写入

通过计算机用的编程软件，可以在可编程控制器RUN时更改程序。

8.编程工具

请使用对应FX3U版本的编程工具。

→参考本书5章版本信息及外围设备的连接对应情况。

在不对应FX3U系列的外围设备中，可以选择FX2N系列或是FX2系列进行编程。

此时，指令和软元件的可使用范围在FX3U系列以及选择的机型的可编程控制器两者都具有的范围内。

2.2两相混合式步进电机介绍

机床铣削加工所采用的步进电机如下图2-2所示。

图2-2两相混合式步进电机

一、两相混合式步进电机的特征

两相混合式步进电机（如图2-2所示）是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

二、两相混合式步进电机调试方法

1.初始化参数

在接线之前，先初始化参数。

在控制卡上：

选好控制方式；将PID参数清零；让控制卡上电时默认使能信号关闭；将此状态保存，确保控制卡再次上电时即为此状态。

在步进电机上：

设置控制方式；设置使能由外部控制；编码器信号输出的齿轮比；设置控制信号与电机转速的比例关系。

一般来说，建议使伺服工作中的最大设计转速对应9V的控制电压。

比如，山洋是设置1V电压对应的转速，出厂值为500，如果你只准备让电机在1000转以下工作，那么，将这个参数设置为111。

2.接线

将控制卡断电，连接控制卡与步进之间的信号线。

以下的线是必须要接的：

控制卡的模拟量输出线、使能信号线、输出的编码器信号线。

复查接线没有错误后，电机和控制卡（以及PC）上电。

此时电机应该不动，而且可以用外力轻松转动，如果不是这样，检查使能信号的设置与接线。

用外力转动电机，检查控制卡是否可以正确检测到电机位置的变化，否则检查编码器信号的接线和设置

3.试方向

对于一个闭环控制系统，如果反馈信号的方向不正确，后果肯定是灾难性的。

通过控制卡打开伺服的使能信号。

这是伺服应该以一个较低的速度转动，这就是传说中的“零漂”。

一般控制卡上都会有抑制零漂的指令或参数。

使用这个指令或参数，看电机的转速和方向是否可以通过这个指令（参数）控制。

如果不能控制，检查模拟量接线及控制方式的参数设置。

确认给出正数，电机正转，编码器计数增加；给出负数，电机反转转，编码器计数减小。

如果电机带有负载，行程有限，不要采用这种方式。

测试不要给过大的电压，建议在1V以下。

如果方向不一致，可以修改控制卡或电机上的参数，使其一致。

4.抑制零漂

在闭环控制过程中，零漂的存在会对控制效果有一定的影响，最好将其抑制住。

使用控制卡或伺服上抑制零飘的参数，仔细调整，使电机的转速趋近于零。

由于零漂本身也有一定的随机性，所以，不必要求电机转速绝对为零。

5.建立闭环控制

再次通过控制卡将伺服使能信号放开，在控制卡上输入一个较小的比例增益，至于多大算较小，这只能凭感觉了，如果实在不放心，就输入控制卡能允许的最小值。

将控制卡和伺服的使能信号打开。

这时，电机应该已经能够按照运动指令大致做出动作了。

2.3两相混合式步进电机驱动器介绍

机床铣削加工所采用的两相步进电机驱动器如图2-3所示。

图2-3两相步进电机驱动器

THB6064H（如图2-3）是一款专业的PWM斩波两相步进电机驱动器。

它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。

适合驱动57、86型步进电机。

据介绍在低成本、低振动、小噪声、高速度的设计中应用效果较佳。

适合驱动57、86型步进电机。

第三章系统的整体调试

3.1系统的调试流程图

根据机床铣削加工方案所设计调试流程图如图3-1所示：

图3-1机床铣削加工设计调试流程图

3.2硬件部分检测

机床铣削加工所设计的硬件检测示意图如图3-2所示。

图3-2硬件检测示意图

检测原理：

在断开总电源的前提下，检测PLC输入或输出点和对应外部硬件连接导线是否正常。

3.2.1PLC电路检查

机床铣削加工检测电路所用的万用表如图3-3所示。

图3-3万用表

1.检测各按钮和PLC输入点

将万用表调至蜂鸣器档，万用表两表笔搭在PLC输入端X0和com端如图3-4所示，按下SB1，如果万用表红色指示灯常亮如图3-5所示，说明SB1支路正常。

以此类推，去检查其他输入端。

图3-4PLC输入端检测图3-5检测完成

2.检测PLC输出点

将万用表调至蜂鸣器档，万用表两表笔搭在PLC输出端com5和变频器SD端（如图3-6），如果万用表红色指示灯常亮如图3-7所示，说明输出支路正常。

以此类推，去检查其他输出端。

图3-6PLC输出端与变频器输入端检测图3-7检测完成

3.2.2步进电机驱动器线路检查

1.检测各按钮和步进电动机输入端

将万用表调至蜂鸣器档，万用表两表笔搭在步进电机驱动器输入端脱机信号输入和DC端如图3-8所示。

按下SQ2，，如果万用表红色指示灯常亮（如图3-9）说明输入端支路正常。

以此类推，去检查其他输入端。

图3-8步进电机脱机信号输入和DC检测图3-9检测完成

3.3调试过程中的故障及分析

1.主轴上下进给步进电机不能运行

调试中发现当步进电机运行时，PLC的输出点Y1、Y3是有信号的，也就是说PLC能够向步进驱动器发送信号。

但是步进电机不能运转。

这时候的问题不是程序问题，而应该是硬件连接上。

首先检查了步进驱动器电源端是正常的，随后检查了脉冲信号Y1、方向信号Y3两根线也是正常的。

进一步检查发现将步进电机脱机信号SQ2的常开接成了常闭，这样就造成了脱机信号一直处于低电平，如图3-10所示。

而步进驱动器只有当脱机信号处于高电平时才能让步进电机运转。

将SQ2改为常开后，步进电机运转正常，如图3-11所示。

错误

正确

图3-10SQ2常闭连接图3-11SQ2常开连接

2.传送带控制电机M3不能运行

调试中当按下启动按钮SB1，SA1感应到信号后，传送带不能运行。

这个问题一开始认为是导线连接上出现了问题。

而实际原因是变频器工作时要有方向信号Y20或Y21，程序步中只有速度信号，缺少了方向信号，导致变频器对外部输出M3电动机不能正常工作，如图3-13所示。

程序中将方向信号Y20加入后，M3电机就可以正常运行了，如图3-12所示。

图3-12正确程序

图3-13错误程序

小结

在完成本设计的过程中，我既感受到了面对自己无法解决的问题时的苦恼，也体会到问题最终得以解决时的快乐。

同时，也总结了以下一些经验：

1. 学习一门程序语言，实践是最好的方法。

我对PLC的学习实际上分为两个阶段。

前一阶段为学习语言而学习语言。

在这一阶段中，我总有隔雾观花的感觉，学得似是而非。

后一阶段边实践边学习，很多前一阶段不甚了了的问题得到迎刃而解。