1、引言

    目前，在機械加工企業(yè)中，為了使車床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，充分利用普通車床，就需要對普通車床進行機電一體化設(shè)計。設(shè)計方案主要有：一、以微機做為控制單元（主要是單片機），控制車床的進給系統(tǒng)，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)；二、人機界面（HMI）、可編程控制器（PLC）作為主控元件，替代傳統(tǒng)車床繼電器－接觸器組成的電器控制部分，其目的是為了提高車床電氣控制系統(tǒng)的可靠性，這種方法主要應(yīng)用在組合車床以及生產(chǎn)線上的專用車床；三、采用專用的數(shù)控設(shè)備來控制車床的伺服進給系統(tǒng)，其伺服進給系統(tǒng)為步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。

    這幾種方法各有特點：單片機的控制系統(tǒng)不但能控制車床的運動軌跡，也可以簡化車床的機械結(jié)構(gòu)，但其接口設(shè)計復(fù)雜，可靠性低；而HMI、PLC組成的控制系統(tǒng)接口簡單，可靠性高，但不能控制車床的運動軌跡；專用的數(shù)控設(shè)備不但能簡化車床的機械結(jié)構(gòu)，而且能控制車床的運動軌跡，但其價格昂貴，不適應(yīng)經(jīng)濟型數(shù)控機床。

    近幾年隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)及自動控制技術(shù)的發(fā)展，HMI、PLC的功能越來越強；本文提出利用WEINVIEW HMI 控制步進電機和車床主軸來實現(xiàn)車床的數(shù)控化。

    2、方案確定

    數(shù)控化是解決車床和運動部分的傳動鏈之間的關(guān)系，傳動鏈主要有：主軸傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)。為了能充分利用人機界面功能，方案設(shè)計如下：

    1）主軸傳動系統(tǒng)采用變頻調(diào)速；

    2）橫向進給和縱向進給傳動系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制；

    3）主要技術(shù)參數(shù)：橫向進給脈沖當(dāng)量0.05mm/step，快進速度2mm/min；縱向進給脈沖當(dāng)量0.001mm/step，快進速度1mm/min。車床總體方案如圖2：

    3、機械部分

    3.1 主軸傳動系統(tǒng)

    為了簡化主軸箱的結(jié)構(gòu)，滿足主軸和轉(zhuǎn)矩要求，主軸傳動系統(tǒng)采用三相異步電機經(jīng)皮帶、降速齒輪驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)。

    3.2 進給傳動系統(tǒng)

    橫向進給和縱向進給傳動系統(tǒng)都采用步進電機經(jīng)減速齒輪驅(qū)動滾珠絲杠副，推動刀架拖板做插補運動。為了提高進給傳動精度，齒輪選用具有調(diào)隙結(jié)構(gòu)的直齒輪，滾珠絲杠副安裝時要預(yù)緊。

    4、控制系統(tǒng)設(shè)計

    4.1 硬件結(jié)構(gòu)

    為了系統(tǒng)便于擴展，提高系統(tǒng)的可維護性，本控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。它由四個子系統(tǒng)構(gòu)成：人機界面顯示、PLC控制器、變頻器、步進電機驅(qū)動模塊。其控制系統(tǒng)組成邏輯圖如圖3所示，其人機界面選用性能穩(wěn)定、功能強大的WEINVIEW MT8104。兩個步進電機選用同型號的反應(yīng)式步進電機和相應(yīng)的驅(qū)動器。

    4.2 軟件結(jié)構(gòu)

    為了便于軟件調(diào)試，軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為以下幾部分：步進電機控制模塊、進給系統(tǒng)定位控制模塊、數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊、元件故障檢測及報警模塊、人機界面監(jiān)控與顯示。通過MT8104，設(shè)定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，實時監(jiān)控、顯示系統(tǒng)運作過程，達到人機交互操作的友好結(jié)合。


    元件故障檢測具有很高的可靠性，所以PLC控制系統(tǒng)的大部分故障來自于PLC外部元件，例如常見的有按鈕或行程開關(guān)觸點熔焊及氧化形成的短路或斷路故障。可將系統(tǒng)故障信息實時顯示在觸摸屏畫面上，并提示如何排查幫助，便于用戶處理系統(tǒng)電氣或機械故障問題。

    5、系統(tǒng)可靠性保障

    系統(tǒng)可靠性主要來源于控制中心單元穩(wěn)定、準確、及時的反應(yīng)與控制；人機界面結(jié)構(gòu)及工作原理組成：

    32bit RISC 200M CPU、顯示單元（LCD）、輸入單元（電阻式觸控面板）、通訊接口、數(shù)據(jù)存貯單元（64M DRAM/32M Flash）等；

    MT8000系列是WEINTEK自主研發(fā)的人機產(chǎn)品：Touch Panel 采用高可靠性精密電阻式工業(yè)級觸控面板，保證了精準的觸控精度，表面硬度高，觸控壽命長，可維持至少100萬次連續(xù)性操作。


    LCD采用國際知名品牌廠商，同最優(yōu)的供應(yīng)商進行著緊密合作，并將累積13年HMI行業(yè)的使用經(jīng)驗提供給供應(yīng)商進行專案討論和工作改進；在主機板上、嚴格做好穩(wěn)定性、抗干擾性等方面的測試，并外加電源隔離保護器，確保人機界面在現(xiàn)場使用的可靠性、穩(wěn)定性和精準性。CPU選用32bit RISC 200M，快速響應(yīng)PLC請求。串口最高波特率可以達到115200，保證了HMI和PLC通訊速度。

    6、注意事項

    由于PLC是循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，所以步進電機不能在高頻下運行，脈沖信號頻率只能在十至幾十赫茲范圍。步進電機的轉(zhuǎn)速與控制脈沖成正比，當(dāng)步進電機在低頻運行時，為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量又不能太大，這就是定位的時間太長。為了解決這個問題，將定位過程分為脈沖當(dāng)量不同的兩個階段：粗定位和精定位。在機械結(jié)構(gòu)上采用兩套變速機構(gòu)，在粗定位階段由步進電機直接驅(qū)動刀架，精定位階段采用步進電機經(jīng)降速齒輪來驅(qū)動刀架，兩套裝置有電磁離合器控制。

    7、結(jié)束語

    用HMI和PLC設(shè)計普通車床，簡單易行，可靠性高，抗干擾能力強。據(jù)WEINVIEW總部不完全統(tǒng)計，90％的銷量應(yīng)用在機床行業(yè)，應(yīng)用前景非常廣闊。