PLC 在非数控机床转速控制与位置测量中的应用

郭永杰，刘海生，王晓勇，马 强，赵 军

（内蒙古一机集团精密设备维修安装公司，内蒙古包头 014032）

0 引言

主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量，在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速；另外对非数控机床进给轴增加位置测量与显示功能，可在很大程度上提高机床的加工效率；以W160HC 镗铣床电器改造为例，通过合理设计控制流程和PLC 程序，实现非数控机床主轴的自动换挡、自动变速和进给轴的相对位置、绝对位置测量功能。

1 项目背景及简介

捷克产W160HC 镗铣床原设备控制系统为继电器控制系统，机床经过多年的使用，高低压电气元件、线路、直流调速装置等功能部件等已严重老化，加工过程中随机性的发生故障，给正常生产加工造成障碍，使用效率低下，机床处于非连续性加工状态，为了充分发挥机床效能，扩展和延续机床的使用寿命，我们成功的对其进行电器系统升级改造，改造后设备自动化程度明显提高，加工精度和可靠性也大幅度提高。

2 PLC 在非数控机床转速控制的一种应用方法

2.1 背景技术

主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。机床主轴的变速一般采用电器调速、机床主轴变速箱换挡变速或两者结合来实现。电器调速直接采用变频调速或直流调速等方法改变电机转速从而达到改变主轴转速的目的；变速箱换挡变速则是电机转速恒定，采用不同的齿轮组合实现主轴输出几挡不同的转速，变速箱换挡变速不但可以使主轴获得低速大扭矩，满足强力切削的要求，还可以通过换挡改变传动比满足不同工序对主轴切削性能的要求，充分发挥主轴电机的性能。目前变速箱换挡方式，主要有手动、半自动与自动换挡方式。非数控机床一般都采用手动换挡或半自动换挡方式，而自动换挡方式一般都应用在比较先进的大型数控机床上。

2.2 应用方法

W160HC 镗铣床主轴采用4 级挡位切换，实现不同的齿轮组合，换挡机构由两个双向电磁阀（23YV1～23YV4）控制两个油缸，分别推动两个齿轮组上下移动，每组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生4 挡转速，并在挡内进行无极调速，主轴箱内安装4 个挡位检测开关（21SQ1～21SQ4）。

为实现非数控机床主轴的自动换挡，在PLC 程序中预先设置主轴4 个换挡转速范围。控制系统依据不同的挡位给主轴驱动装置发出不同的模拟量给定电压，对应主轴电机不同的转速。

2.2.1 实施步骤

在触摸屏上激活“主轴监控画面”，界面如图1 所示。

图1 主轴控制画面

转速输入框中键入需要的转速，主轴随即开始自动变速与换挡，主轴当前挡位信息与运行状态会在屏幕上显示;“转速监控”反馈当前的主轴旋转速度，单位是RPM。

2.2.2 主轴换挡控制流程

主轴换挡的控制过程是在PLC 中实现的，具体主轴换挡控制流程见图2。

图2 主轴换挡控制流程

主轴换挡的控制过程是在PLC 中实现的。PLC 接受到触摸屏发出的转速命令，并根据转速范围判断是否需要换挡，如不需换挡PLC 的模拟量模块直接输出键入转速所需的模拟量给定电压（DC 0～10 V）到直流调速器，控制主轴电机达到所需的转速；如需换挡先检查主轴与进给电机是否处于停转状态，如果未停，PLC 先向进给轴发“进给保持”命令，使进给轴停止，2 s 后向主轴发“主轴禁止”命令，使主轴停止。主轴与进给轴停止后，根据目标挡位，给相应的换挡液压油缸（23YV1～23YV4）发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时，启动主轴换挡摆动模式，PLC 中设置摆动速度，使齿轮在移动中啮合。定时器定时到了以后，PLC 检测相应的挡位开关是否生效，如果生效，说明换挡齿轮啮合到位，对应的档位信号指示灯（HL21～HL24）点亮，换挡完成，主轴档位显示当前的档位信息（1～4挡）。此时，主轴自动进入下一挡转速，PLC 会根据换挡之前机床的状态，控制主轴开始自动旋转，2 s 后进给轴在当前的位置开始自动运行。

2.3 控制程序的编写

2.3.1 PLC 硬件接线与WinCC 变量设计

控制系统采用了SINMENS S7-200 SMART 可编程控制器（编程语言：STEP 7-MicroWIN SMART）和SMART 700 触摸屏（编程语言：WinCC flexible SMART V3）SINMENS S7-200 SMART 的硬件接线图如图3 所示，WinCC flexible SMART V3定义的变量表1 如图4 所示。

2.3.2 PLC 程序简要介绍

（1）如图5 PLC 程序1 所示：当前主轴挡位寄存器MB20=1时，代表主轴处于低速档，转速范围0～12 r/min，转速比：1500/82，转速比传递到当前子程序中的局部变量LD0；当MB20=2 时，代表主轴处于中低速档二档，转速范围12～37 r/min，转速比：1500/25,转速比传递给局部变量LD0，3、4 档同理；以此来判断每个挡位的转速范围，并与触摸屏输入的转速VD0 进行比较，判断出合理的挡位信息传递到挡位寄存器MB21 中。

MB20 是当前主轴挡位寄存器，两者的比较信号下降沿置位M22.2，M22.2 为1 时主轴开始换挡冲动，同时换挡电磁阀开始工作。比较信号的上升沿或换挡超时信号T46 复位M22.2，实现主轴的自动换挡功能。

图3 PLC 硬件接线图

图4 WinCC flexible SMART V3 定义的变量表1

图5 PLC 程序1

（2）如图6 中PLC 程序2 所示：M2.0（主轴正转中继信号）为1 时，把+27648 传送给局部变量LD24,M2.1（主轴反转中继信号）为1 时，把-27648 传送给局部变量LD24,当前挡位转速比的临时变量LD22 与LD24 相乘，结果传送给临时变量LD20，LD20 取整后传送给LD28，LD28 由双字转换为字变量后传送给AQW80 模拟量输出通道1，模拟量模块得到所需的模拟量给定电压（DC 0～10 V），输出到直流调速器，控制主轴电机的达到所需的转速，实现模拟量的自动给定；M22.2（主轴换挡中继信号）为1 时，启动主轴换挡摆动模式，把0.003 传送给局部变量LD20，设定了主轴换挡所需的摆动速度。

2.4 实施效果

本次机床电器改造根据该机床的主轴换挡结构，结合控制系统的特点，通过PLC 控制程序，对主轴换挡和变速进行自动控制处理，不仅提高机床的加工精度，而且延长主轴的使用寿命。

针对机床主轴换挡的形式，编制相应的PLC 控制程序，实现非数控机床自动换挡与档内无极变速功能。最终调试的实验结果表明，设计控制程序能够使主轴在高、中高、中低、低四挡之间顺利切换，换挡中无脱档、换挡不到位、挡位不合理等现象，为同类机床的主轴自动换挡与自动变速提供了借鉴经验。

图6 PLC 程序2

3 PLC 在非数控机床位置测量中的一种应用的方法

3.1 背景技术

在机床的实际生产加工过程中，为了提高加工质量与效率，需要对位置进行自动测量与显示，一种常见的方案就是将编码器连接在电机的轴端，其输出（A，B 相）连接到PLC，在PLC 编程时利用高速计数器对接收到的编码器的脉冲进行计数。增量式编码器是一种串行输出编码器，编码器输入一个最小单位的增量，输出就会有一个脉冲输出，编码器输入状态与最终的输出代码对应需要通过外部脉冲计数器来完成，一旦掉电这种对应关系就会消失，重新上电后需要通过校正来恢复输入与输出的对应关系。

现有的多圈绝对值编码器，由单圈绝对值的光栅或磁栅加上一个齿轮的多圈计数机构组成，其最大优点时能够提供绝对位置信息，并且不受断电影响，但其行程受圈数的限制，计量范围受限，且圈数越多，其结构越复杂，体积就越大，成本也越高，不利于实现集成化和小型化，并且接线十分复杂，普通的PLC 无法实现其功能。

3.2 应用方法

W160HC 镗铣床的镗杆轴（圆杠）与滑枕轴（方杠）采用一台直流电机驱动，基于上述原因，在直流电机变速箱输出的丝杠端安装一个增量式编码器，来进行位置测量，另外，为了实现绝对位置测量功能并且不受机床断电影响，PLC 程序中设定保持型存储器VD60，记录需要存储的机床位置信息。

3.2.1 操作步骤

在触摸屏上激活“镗杆监控画面”，界面如图7 所示。

“当前位置”记录镗杆轴（圆杠）与滑枕轴（方杠）移动的距离，“保存位置”记录需要保存的位置，屏幕上点击“位置清零”时，“当前位置”会清零；点击“位置保存”时，“当前位置”记录的数值记录到“保存位置”处；点击“位置恢复”时，“保存位置”的数值更新至“当前位置”。

3.2.2 实现方法

图7 镗杆控制画面

由于镗杆轴（圆杠）与滑枕轴（方杠）的传动比与反向间隙相同，因此我们采用了一个增量式编码器并共用一个高速计数器通道来进行位置信息测量，PLC 通过高速计数器采集并记录增量式编码器输入的脉冲数量，通过一定的逻辑关系转换为镗杆轴（圆杠）与滑枕轴（方杠）的位移信息通过触摸屏显示出来，并通过触摸屏的位置存储与位置恢复软键执行相应的操作，来保证机床位置不受断电影响，实现机床的绝对位置测量功能。另外由于两者移动时存在恒定的反向间隙（约为0.2 mm），在PLC程序中设计了反向间隙补偿功能，采用保持型继电器记录进给电机之前的移动方向，换向时PLC 首先采集反向间隙脉冲数，当达到程序中设定的反向间隙脉冲数后，才开始进入位置测量，极大的提高了机床进给轴的测量精度。

3.3 控制程序的编写

3.3.1 WinCC flexible SMART V3 定义的对应变量表2 信息（图8）

3.3.2 PLC 程序的简要介绍

PLC 程序如图9 所示：

SM0.0 时常1 信号，SM37.7 也常为1，高速计数器HSC0 始终启用，坐标清零信号V9.6 的上升沿把0 传送到SMD38（高速计数器HSC0 的新当前值）中，使编码器脉冲信号清零，当前位置也变为0；高速计数器的当前值HC0 传送给当前子程序中的局部变量LD0 中，LD0 通过比例换算为行走距离传送到当前坐标VD14 中。

图8 WinCC flexible SMART V3 定义的变量表2

图9 PLC 程序3

当机床断电需要记录当前的位置信息时，点击触摸屏上的位置存储按键，变量V26.1 发出1 个上升沿信号，VD14 中的当前坐标传送到断电存储继电器VD60 中，当需要恢复记忆的坐标时，点击触摸屏上的位置恢复按键，变量V26.2 发出1 个上升沿信号，断电存储继电器VD60 中保存的Z 轴当前坐标传送到VD18中，VD18 又通过位置、脉冲换算，将换算的脉冲数传送到SMD38中，对计数器HSC0 的当前值进行了更新，新当前值又被传送到局部变量LD0 中，LD0 通过位置、脉冲换算，镗杆的位置信息实时被传送到当前坐标VD14 中，实现了绝对位置测量功能。

3.4 实施效果

根据该机床的进给轴结构，结合控制系统的特点，在丝杠一端安装增量式编码器，通过PLC 控制程序，实现机床进给轴的绝对和相对位置测量功能，并且不受机床断电的影响，解决了现有多圈编码器因受齿轮圈数的限制导致结构复杂与计量范围受限的问题，可为同类机床进给轴的位置测量提供借鉴经验。

4 结束语

通过在捷克产W160HC 镗铣床上实施电器系统升级改造，实现了下述功能，为非数控机床提高自动化水平与可靠性水平积累了大量经验。

（1）在非数控机床上实现了主轴自动换挡与自动变速功能，在执行换挡过程中，控制主轴电机低速摆动，易于液压拨叉推动齿轮实现稳定配合。能够使主轴在高、中高、中低、低四挡之间顺利切换，换挡中无脱档、换挡不到位、挡位不合理等现象，在换挡时，机械冲击小，可靠性高，消除了主轴低速运动换挡不稳定、主轴振动明显，以及对传动系统齿轮强度和使用寿命造成的不利影响，为同类机床的主轴自动换挡与自动变速提供借鉴经验。

（2）实现了机床进给轴的绝对和相对位置测量功能，并且不受机床断电的影响，解决了现有多圈编码器因受齿轮圈数的限制导致结构复杂与计量范围受限的问题，可为同类机床进给轴的位置测量提供借鉴经验。