數控車床刀塔電氣控制分析
2018-5-7 來源：山西永濟電機高級技工學校山西永濟電機高級 作者：趙彩賢
摘要：本文通過對fanuc系統數控車床刀塔控制的研究，深入分析刀塔PLC控制程序、電氣原理，為自動化專業教學及設備維修提供參考。
關鍵詞：PLC 程序； 電氣設計；數控刀塔；FANUC數控系統；控制
一、引言
山西永濟電機高級技工學校有多臺數控車床，是學生實習、員工培訓經常使用的設備。數控車床為沈陽機床廠生產，設備型號為 CK6112，配置 FANUC0 數控系統，換刀采用PLC 控制的刀塔。刀塔是數控車床重要組成部分，此車床刀塔采用電氣結合液壓控制換刀，通過 PLC 對控制刀架的所有I/O信號進行邏輯處理及計算，實現刀塔的換刀控制。另外為了保證換刀能夠正確進行，系統設置一些相應的系統參數來對換刀過程進行調整。
二、PLC及梯形圖概念
PLC是機床換刀過程的控制中心，是實現順利換刀的關鍵器件?？删幊绦蚩刂破骷?PLC 是 20 世紀 60 年代末發展起來的一種新型自動化控制裝置。最早用于代替傳統的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯運算、定時、計數以及順序控制等，而且只能進行開關量控制。近年來，PLC 把計算機技術、自動化技術和通信技術融為一體，發展成新型的工業控制器，其控制功能已遠遠超過邏輯控制的功能。
國際電工委員會（IEC）對PLC定義為：可編程序控制器是一種專為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子系統。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械設備和生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業控制系統連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。
梯形圖簡稱 LAD，是 PLC 使用較多的圖形編程語言，梯形圖沿襲了繼電器控制電路的形式，在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎上簡化了符號演變而來，具有形象、直觀、實用等特點，技術人員容易接受，目前運用較多。
在 PLC 梯形圖中，左右母線類似于繼電器電路的電源線，輸出線圈類似于負載，輸入點類似于按鈕，梯形圖由若干邏輯行構成，自上而下排列，每個邏輯行起于左邊母線，經過觸點與線圈，止于右母線。
三、刀塔電氣控制
刀塔電氣控制部分如圖一所示。圖中的a是刀塔控制的主回路部分，主要是控制刀塔電機的正轉和反轉，刀塔電機通過同步帶聯接來控制刀塔的正轉和反轉；圖b是刀塔控制的交流控制回路，主要是控制兩個交流接觸器線圈的得電和失電來實現 a 中的主回路控制；圖c部分是刀塔控制的繼電器控制回路及 PLC 的輸入及輸出回路，整個過程的控制最終是由這三部分來完成的。
圖一中各器件的作用如下：
Y0.5：刀塔反轉繼電器控制輸出。
四、換刀的工作過程
根據電路回路圖簡析：假設 PLC 輸入/輸出電路中輸入 1 號刀同時選擇手動方式（JOG)選擇。這時，按下手動換刀啟動按鈕SB6，KA3線圈得電，KA3常閉觸點斷開實現互鎖。接觸器回路中的 KA3 觸點導通（KA1 始終處于閉合狀態），KM5 線圈得電，KM5 常閉觸點斷開實現雙重互鎖。刀塔正轉接觸器回路導通，在主回路總的KM5觸點閉合刀塔正轉。當接近元件檢測到 1 號刀的到位信號時，刀塔開始定位，電機停轉，液壓缸拉緊鎖緊，鎖緊信號檢測到后，換刀結束。其他刀號換刀方式依次類推。具體換刀過程步驟如下：刀塔抬起：當數控系統發出換刀指令后, 刀塔通過電氣控制電磁閥得電，電磁閥控制液壓缸頂起刀塔，刀塔中心的鼠齒盤分離。
刀塔旋轉：刀塔頂起檢測的接近開關檢測到刀塔頂起到位后，通過接口電路使電機正轉, 經傳動裝置，刀塔電機旋轉。
刀塔定位：當刀塔旋轉到需要的刀號，對應刀號的接近開關給數控裝置反饋換刀號到位檢測指令，刀塔電機停止旋轉。刀塔鎖緊：刀塔電機停止在需要的刀號時，數控系統發出鎖緊信號，電磁閥得電，刀塔向下拉緊，鼠齒盤結合，鎖緊檢測接近開關檢測到鎖緊到位后，換刀完成。
換到過程流程圖
五、PLC換刀梯形圖
刀塔換刀過程選刀部分梯形圖
PLC控制數控車床的刀塔，主要是對刀塔的換刀進行自動控制。隨著電氣技術的飛速發展，PLC 控制提高了生產工藝，具有較高的穩定性和可靠性，較強的實時處理能力，使用簡單維護方便。程序的編制充分考慮操作指令和現場信號，整個操作變得比較簡單，機床工作的旋轉、變擋、調速，進給、快速移動控制，相互的連鎖保護和顯示等功能均由PLC完成。
PLC 程序分析：
第一，手動換刀。 首先將操作面板模式選擇打到手動（JOG）模式，刀號對應波段開關打至需要更換刀號位置，再按刀庫手動換刀啟動按鍵進行換刀 。 按下手動換刀信號X5.4,Y0.4輸出，接通刀塔正轉繼電器。刀塔電機正轉找刀。找到目標刀位后，刀塔電機繼電器失電。電機停止轉動，刀塔下降，鎖緊，手動換刀結束。
第二，自動換刀。首先把模式選擇打到手動資料輸入（MDI)模式，在按下 MDI 單元程序功能鍵 PROG 輸入所需的目標刀號（如：T0303），按功能鍵 EOB，接著按功能鍵 INSERT，最后按循環啟動鍵，此時 F7.3導通，通過位置檢測接近開關把當前刀位的信號通過數據傳送指令和二進制轉換指令轉換為實際刀位號。當系統發出換刀指令T0303 時，F7.3 導通，當前刀位號會與目的寄存器的刀位號相比較，如果一致，程序跳轉，換刀結束。如果刀位號不一致，刀架電機正轉找刀，找到目標刀位后，刀塔下降，鎖緊，刀塔鎖緊后，整個換刀過程結束。
六、結束語
本次分析的這臺數控車床的換刀過程，通過電機驅動，PLC 程序控制，刀架能快速的完成抬起、正轉、選位、鎖緊等一系列的動作，有效地實現了換刀。此換刀模式是目前主流的數控車床換刀形式。數控刀塔可以在保持原車床工件最大回轉直徑的條件下，提供選多把刀的可能性，且通用性好。刀塔的運行效率高，并穩定可靠。通過這次的分析研究，對FANUC系統有了更新的認識，對數控車床的專業知識的掌握程度及運用能力也有了更大的提高，同時也加深了數控專業知識的掌握程度。
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