0 引言

　　隨著計算機技術和信息技術的不斷發展，作為國家裝備工業基礎的機床在向數字控制和智能控制的方向發展。數控機床是先進機械制造技術、數字控制技術、計算機技術、信息技術、微電子技術、自動控制技術、檢測技術等先進技術的系統集成，只要改變零件加工程序就能加工所需要的產品，加工速度快、精度高、花樣多，能快速滿足市場需求。目前小型數控車床在玩具制造、小零件小五金加工、裝飾廣告等行業有著廣闊的前景，為適應市場靈活多變的需求，開發設計各種小型數控車床能較好的滿足一大批中小企業的多樣化需求，走與中大型數控系統設備廠家不同的差異化道路。本文主要探討以國產華中數控系統為控制軟件，對C6140型車床主軸進行以變頻技術與PLC控制技術為主的數控系統設計。

1 車床主軸數控化設計總體方案

　　目前國內的數控系統大型的有SIEMENS數控系統、中型的有FANUC數控系統、中小型的有三菱數控系統等，這些數控系統價格都在5萬元以上，屬于高精度的閉環或半閉環控制方式。通過對加工要求、精度要求、價格等因素比較后，采用國產華中數控系統，包括控制面板、主機系統板卡與輸入輸出接口，繼電器與PLC外部I／O板，以及電氣控制設計與元器件安裝、調試等自行完成。主軸數控采用開環控制方式和半閉環控制方式，包括硬件電氣控制系統和軟件系統兩部分。數控系統能控制主軸啟停、轉速、方向、過載和報警等；刀架能根據加工需要自動轉位換刀；車床主軸數控系統設計原理圖如圖1所示。

圖1主軸數控系統設計原理圖

2 主軸數控系統設計總體方案

　　2.1 主軸變頻器．電機與卡盤的選擇

　　為了提高車床的自動化程度，主軸采用變頻調速，進行半閉環控制，根據機械部分的設計計算與C6140車床加工要求可選擇FRF740—7.5KCH三菱變頻器，適配7．5KW的三相交流調速電機；為了實現較好的低速大轉矩特性，采用分檔無級變頻調速，即在精密加工的時候可選擇低速機械檔位和高速機械檔位，然后再通過變頻器來調速；主軸運動由主軸電機驅動，電機的調速、正反轉、啟停、急停、報警等由PLC與數控系統控制。

　　主軸卡盤采用電動卡盤，卡盤的夾緊與松開由PLC與數控系統控制。可選擇KDl 1250型號電動三爪自定心卡盤，加裝夾緊與松開信號開關，與數控系統的對應端口連接。

　　2.2 主軸編碼器的選擇

　　主軸為了能加工螺紋，主軸電機要加裝主軸編碼器，與主軸同步轉動，作為主軸位置信號的反饋元件，用來測量電機的轉速、位移和轉向，保證加工螺紋或絲杠時，主軸每轉一周，刀具能準確移動一個導程。根據機械部分的設計計算與要求，車床能加工的最大螺紋導程為24mm，縱向的進給脈沖當量為0.01mm／脈沖，所以每轉一周加工一個導程輸出2400個脈沖，編碼器有A、B相輸出信號，A、B相位差為90。，另外為了重復車削同一螺紋時不亂扣，編碼器還需每轉輸出一個零位脈沖Z。可選擇ZLF-2400Z-05VO-15型號的螺紋編碼器。編碼器信號端與數控系統對應端口連接。

3 主軸數控系統設計與實施

　　3.1 主軸變頻器調速系統電氣控制實施

　　主軸采用7．5KW以下的普通變頻器控制交流變頻電機實現調速，變頻器選擇三菱、臺達或日立普通型變頻器，可在一定范圍內實現主軸的無級變速。這時可利用已有的數控系統主軸控制接口，接口AOUT中模擬量電流或電壓輸出信號，可作為變頻器的調速信號，如果采用單極性模擬量電壓，這時用開關量輸出信號控制主軸的啟停、正反轉。主軸速度模擬電壓信號范圍為一10V～+10V，電流最大為10mA，如果采用雙極性模擬量電壓，這時采用使能信號控制主軸啟停。主軸編碼器電源輸出為+5V，使用差分TTL方波，可提高可靠性和抗干擾能力，最大電流為200mA，信號電平為RS422電平。數控裝置與主軸變頻器、編碼器的電氣連接圖如圖2示。

圖2數控裝置與主軸變頻器、編碼器的電氣連接圖

　　3.2 主軸外部I／O開關量PLC控制原理與設計

　　主軸電氣系統開關量輸入信號與工作原理有：主軸機械一檔啟動信號X2.0、二檔啟動信號X2.1，常開觸點，閉合有效，啟動機械變檔；主軸外部運行允許信號X2.4，常開觸點，閉合有效，主要檢測變頻器使能；主軸過載報警信號X3.0，常閉觸點，斷開有效，主要監控變頻器是否異常；主軸速度到達信號X3.1，常開觸點，閉合有效，檢測主軸穩定速度；卡盤松開信號X0.7、常開觸點，閉合有效，啟動卡盤松開；卡盤夾緊信號X0.6，常開觸點，閉合有效，啟動卡盤夾緊。卡盤夾緊驅動信號Y1.6，數控系統內部低電平有效，由數控系統送出該信號，控制卡盤夾緊；主軸制動信號Y1.2，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制電機制動；卡盤松開驅動信號Y1.3，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制卡盤松開；主軸機械一檔驅動信號Y1.4，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制機械部分換到一擋；主軸機械二檔驅動信號Y1.5，低電平有效，由數控系統送出該信號，控制機械部分換到二擋。數控系統采用華中數控系統，該數控系統采用內置式PLC，可根據車床設計要求進行PLC程序的二次開發，開發源程序語言為C語言，前期設計可用梯形圖語言。主軸系統PLC控制電氣原理如圖3所示。

圖3主軸系統PLC控制電氣原理圖

　　3.3 數控系統與變頻器組合控制

　　數控系統與變頻器的組合控制時主要參數有：主軸過載X3.0，主軸速度到達X3.1，主軸運行允許X2.4，正轉啟動X0.0，反轉啟動X0.1，外部停止X0.2，變頻高速啟動X4.0，變頻中速啟動X4.1，變頻低速啟動X4.2，制動解除X4．3，主軸正轉控制Y1.0，主軸反轉控制Y1.1，高速控制Y2.0，中速控制Y2.1，低速控制Y2.2，停止控制Y2.3，變頻器STF為正轉啟動端，變頻器STR為反轉啟動端，變頻器RH為高速啟動端，變頻器RM為中速啟動端，變頻器RL為低速啟動端，變頻器MRS為變頻停止端，變頻器OL為過載報警端，變頻器SU為頻率到達端，變頻器無級凋速電流為AOUT2／4—20mA，無級調速控制端Y2.4，變頻模擬調速端4與AU為ON，變頻器公共端SD。變頻器工作時需根據要求設置好主要參數。主軸數控系統與變頻器控制電氣原理圖如圖4所示。

圖4主軸數控系統與變頻器控制電氣原理圖

　　3.4 主軸PLC控制系統外部I／O開關量設計

　　外部lJO開關量電氣控制首先要設計制作輸入信號板和輸出信號板，也可以購買華中數控的輸入輸出繼電器板，但價格較高、成本高。開關量輸入輸出的電氣控制原理類型有NPN、PNP兩種類型，采用NPN型的輸入輸出類型，并制作輸入輸出信號板。開關量輸入技術參數為采用光耦合技術，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，導通電流為5-9mA，最大漏電流小于0．1mA，濾波時間小于2ms。開關量輸出技術參數為采用光耦合技術，最大隔離電壓為2500V，電源電壓為DC24V，最大輸出電流為100mA。輸入等效電路如圖5、輸出如圖6所示。

圖5開關量輸入電氣原理圖

圖6開關量輸出電氣原理圖

　　按下輸入按鍵X，光耦合器接口電路導通，產生輸入信號X，通過數控系統與PLC提供的接口送入數控系統內部進行運算處理。

　　數控系統與PLC通過輸出接口送出控制信號Y，高電平時候，光耦合器接口電路導通，輸出端子Y連接外部繼電器KA導通，KA常開觸點閉合，變頻器控制電路導通，實現主軸電機的控制。控制信號Y為低電平時，光耦合器接口電路不導通，外部繼電器KA失電，KA斷開，變頻器控制電路斷開。

4 主軸電氣控制與數控系統調試

　　主軸變頻調速與數控系統PLC控制電路設計完成后，開始進行PLC控制與變頻器調速以及卡盤夾緊、松開，機械自動變換一擋和二擋的調試。首先，進行PLC程序的編寫。由于華中數控系統是內置PLC系統，并且源程序需用C或C++語言編寫，因此，需要將前述的PLC梯形圖程序改變為C語言程序，可取名為&ldquo;zhuzhouplc．cld&rdquo;文件名，后綴必須是&ldquo;.cld&rdquo;。在DOS下面進入PLC安裝目錄，如：C：LHNC一21WLC>EDIT zhuzhouplc．cld<回車>，就建立了PLC的C語言程序，并取名為zhuzhouplc．正轉Cld。然后輸入C：、HNC一2l＼PLC>MAKEPLCzhuzhouplc．cld<回車>，這時系統又回到C：＼HNC．21＼PLC>下，表明程序編譯成功，編譯結果為反轉zhuzhouplc．tom，然后更改數控系統配置文件NCBIOS．CFG，進入C：＼HNC一21>EDIT NCBIOS．CFG，并加上：Device=C：htlNC一21kPLCXzhuzhouplc．制動corn，這時數控系統啟動時就會加載新編寫的PLC程序。

圖7主軸PLC控制系統主要梯形圖程序

　　其次調用華中數控系統車床標準PLC系統。停止根據前面改造設計的PLC控制與I／O開關量參數，如果參數狀態發生變化，如開關被壓下，則對應的開關量數字狀態也會發生變化，由此可檢測I／O變頻高速開關量的電路連接改造設計是否正確。數控系統主機啟動后，對主軸外部I／O開關量進行接通與斷開測試，X、Y的狀態都能在PLC狀態界面顯示出來，由此可見電氣電路設計正確。

5結束語

　　主軸數控系統設計后進行調試，控制軟件采用華中數控系統，該系統能實現方便快捷的人機對話、數控加工程序的編譯、運行、計算和信號輸出以及整個系統的管理等。主軸自動和手動調試運行結果變頻低速顯示，主軸電氣與PLC控制系統運行時間短、速度快、效率高、無死循環、死機現象，I／O開關量接口的信號響應快，主軸加工的穩定性、準確性、快速性比普通車床有較大改善，整個主軸運行正常。