车床丝杆安装精度测量装置的结构设计

　　摘要：利用三维设计软件SolidWorks设计教学用数控车床的机械结构;对数控车床的电气控制系统进行设计和选型, 在西门子全集成自动化软件TIA portal V13平台上完成了数控程序的编写和人机界面的开发。所研发的数控车床能够完成简单零件的自动加工, 为批量生产提供了理论支持和技术储备。

　　关键词：教学用数控车床; TIA portal V13平台; 数控程序; 人机界面;

　　Abstract：The mechanical structure of CNC lathe for teaching was designed using 3D design software SolidWorks. The electric control system of NC lathe was designed and electrical components were selected. NC program and man-machine interface were completed on the SIEMENS totally integrated automation software TIA portal V13 platform. The CNC lathe can be used to process simple parts automatically. It provides theoretical support and technical reserves for batch production.

　　Keyword：CNC lathe for teaching; TIA portal V13 platform; NC program; Man-machine interface;

　　很多高职院校机电相关专业都开设了数控机床相关理论课程, 为了加深对理论课的认识, 往往会配套相关数控车床实训课程。实训所用的数控车床都是从专门的机床生产厂家购置的, 如国产的有华中数控、广州数控等, 不同生产厂家的数控机床的操作是有区别的。

　　数控系统是专用的控制系统, 对于操作者而言, 数控系统就是一个黑箱, 操作者往往把注意力放在如何通过数控编程来加工出符合工艺要求的产品, 但对数控机床的工作原理不是很清楚。数控系统集成度很高、价格昂贵、维修成本高, 这不利于学生对数控机床工作原理的理解。为此通过教学用数控车床的研发来解决这一矛盾, 数控车床的控制系统采用西门子S7-1200 PLC作为控制器, 通过独立完成控制系统的硬件接线、参数设置、简单零件加工过程, 对理解数控系统的工作原理会有很大帮助。

　　1、数控车床机械机构设计

　　1.1、数控车床主参数和动力参数

　　数控车床的主参数:最大回转直径为200 mm, 最大加工长度为400 mm, 主轴转速范围为30~2 800r/min;动力参数:主电机功率为0.55 k W, 进给伺服电机功率为0.3 k W。

　　1.2、主要结构设计

　　数控车床的机械结构设计主要包括支承件的结构设计、床身导轨的结构设计、主轴箱的结构设计以及进给系统的结构设计。

　　(1) 支承件的结构设计。支承件的结构及布局是否合理将直接影响机床的加工质量和生产率, 在切削工作中, 要保证它具有良好的切削稳定性、较小的热变形和内应力。为此采用向前倾斜的斜床身, 底座为整体式, 底座型腔内封有砂芯, 具有良好的吸震性, 床身安装在底座上。这样的结构可以满足车床对支承件的要求[1]。

　　(2) 床身导轨的结构设计。导轨是导向和承载的, 在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命[1-2]。矩形导轨制造简单, 刚性好, 承载能力大, 导轨随床身倾斜, 在一定程度上可以弥补其导向精度较差的缺陷。基于以上优点, 此数控车床采用矩形导轨, 导轨长度800 mm。

　　(3) 主轴箱的结构设计。主轴箱仅用于支承主轴, 箱内无任何齿轮、离合器等发热元件, 这样可以减少传动链, 从而减少发热和噪声。主传动系统由变频器驱动三相异步电机通过同步带带动主轴运行, 实现主轴自动无级变速和正反转控制。

　　(4) 进给系统的结构设计。纵向、横向进给由性能优良的台湾东元公司生产的交流伺服电机驱动。纵横滚珠丝杠通过丝杠座分别带动床鞍和滑板作纵、横向进给运动。

　　利用三维设计软件Solid Works对教学用数控车床的机械机构进行了设计, 如图1所示。

图1 教学用数控车床的三维模型

　　2、数控车床控制系统设计

　　2.1、控制系统组成

　　数控车床的控制系统主要由电源控制模块、伺服电机驱动模块、CPU模块、变频器模块、触摸屏模块组成。

　　(1) 电源控制模块主要由三相电源总开关 (带漏电和短路保护) 、电源控制继电器、急停按钮、旋钮开关等组成, 为变频器、伺服驱动器供电。

　　(2) CPU模块为数控系统的大脑, 其性能的高低直接决定数控系统的稳定性。S7-1200 PLC结构紧凑, 功能全面, 扩展方便, 其CPU集成有工业以太网通信接口和多种工艺功能, 可以作为一个组件集成在综合的自动化系统中[3-4]。为此选用西门子S7-1215C型CPU, 板载DI14×24VDC漏型/源型、DQ10×24VDC及AI2和AQ2;板载6个高速计数器和4个脉冲输出;多达8个信号模块用于I/O扩展;2个PROFI-NET端口用于编程、HMI和PLC间的通信。

　　(3) 触摸屏模块采用西门子公司KTP700 Basic PN, 17.78 cm (7″) TFT显示屏, 800像素×480像素, 1个PROFINET接口, 1个USB接口。

　　(4) 变频器模块采用三菱公司FR-E740-0.75k变频器, 三相异步电动机的功率为0.55 k W。

　　(5) 伺服电机驱动模块采用东元TSTE伺服驱动系统, 伺服驱动器型号JSDEP-15A, 伺服电机型号JSMA-LC03ABK。

　　2.2、控制系统原理

　　2.2.1、进给系统工作原理

　　进给系统包括纵向进给 (Z向) 和横向进给 (X向) , 采用了半闭环系统的设计原理, 其控制原理如图2所示。S7-1215C PLC通过一个高速脉冲输出点和一个方向输出点向伺服驱动器发送指令, 伺服驱动器接收到脉冲和方向之后控制伺服电机的运动, 丝杠的实时位置通过安装在伺服电机轴上的旋转编码器反馈到伺服控制器, 和目标值比较, 带动纵向进给 (Z向) 和横向进给 (X向) 丝杠以指定的速度达到目标位置, 实现精确定位控制。

图2 伺服驱动系统的工作原理

　　2.2.2、主传动系统工作原理

　　主传动系统由变频器驱动三相异步电机实现主轴自动无级变速和正反转控制。S7-1215C PLC的数字输出信号给到变频器的输入端子 (STF、STR) , 实现三相异步电动机停止、正反转控制;S7-1215C PLC的模拟量输出 (电流) 信号给到变频器的模拟电流端子 (4、5) , 实现三相异步电动机的无机调速。PLC通过改变电流输出, 改变变频器的输出频率, 从而实现对电机转速的控制。S7-1215C模拟量通道信号数值范围0~27 648 (单极性) , 变送器输出信号0~20 m A, 即0 m A对应的数字量为0, 20 m A对应的数字量为27 648。电机额定转速为2 800 r/min、额定频率为50 Hz, 在触摸屏上输入的是电机转速, 因此模拟量输出需通过程序计算。PLC对变频器的控制接线图如图3所示, 西门子0、2M端子分别为模拟量输出的第一通道和模拟量公共端, 4、5端子分别为三菱变频器的模拟电流DC4~20 m A输入端和模拟公共端。

图3 PLC对变频器的控制接线图

　　2.2.3、自动换刀工作原理

　　安装托板上的四工位电动刀架, 当加工过程中需要换刀时, 数控系统发出换刀控制指令, 刀架直流电机正转, 使刀架旋转;当到达预定刀位时, 通过霍尔元件, 向数控系统发出刀架到位信号, 刀架电机反转, 锁紧刀架后停止旋转。

　　2.3、数控系统硬件组成

　　数控系统采用西门子S7-1200 PLC和KTP700Basic PN型触摸屏实现对纵向进给系统 (Z向) 和横向进给系统 (X向) 的伺服驱动器、主传动系统的变频器以及四工位电动刀架的控制, 如图4所示。

图4 数控车床的控制系统硬件组成

　　2.4、控制程序设计

　　TIA博途采用新型、统一软件框架, 可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时的共享任务, 可大大降低连接和组态成本[5]。因此系统的组态、工艺轴的配置、符号表的创建、人机界面的设计统一在TIA portal V13平台上完成。

　　2.4.1、PLC变量表的创建

　　为了提高程序的可读性、方便程序的调试, 在进行编程之前, 按照表1的I/O分配表创建变量表。

表1 教学用数控车床的I/O分配

　　2.4.2、系统的组态

　　(1) PLC与HMI网络连接

　　分别完成PLC的组态和HMI的组态后, 在项目树的“设备和网络”的网络视图中, 进行PLC与HMI网络连接的相关设置, PLC的IP地址为192.168.0.1, HMI的IP地址为192.168.0.2。

图5 PLC与HMI网络连接

　　(2) 工艺对象的配置

　　纵向、横向进给轴的配置在工艺对象中进行, 选择项目树PLC文件夹→工艺对象→插入新对象, 工艺对象“定位轴” (“TO_Positioning Axis”) 将映射控制器中的一个物理驱动器, 这样就可以通过脉冲接口控制伺服电机。可以使用PLCopen运动控制函数块对驱动器的运动进行编程。具体设置过程参考文献[5-6]。

　　在基本参数→基本界面, 选择驱动器的输入为“PTO”, 测量单位为mm;在基本参数→驱动器界面, 选择信号类型为“PTO (脉冲A和方向B) ”, 脉冲输出为Q0.0, 信号输出为Q0.1。

　　在扩展参数→机械界面, 设置电机每转的脉冲数为10 000, 电机每转的负载位移为2.0 mm, 所允许的旋转方向为双向;在扩展参数→位置限制界面, 设置轴的左右限位;在扩展参数→动态界面, 设置速度单位为mm/s, 加速度、减速度、最高速度、启停速度根据实际要求设定;在扩展参数→回原点界面, 设置主动方式回原点。

　　2.4.3、触摸屏程序设计

　　数控机床的触摸屏是操作员与机床交互的接口, 好的操作界面会帮助使用者更简单、更正确、更迅速地操作机械, 也能使机械发挥最大的效能, 为此触摸屏的程序设计按照系统功能要求进行。

　　触摸屏界面在TIA portal V13进行设计和编译, 程序编译成功后从PC机可直接下载到触摸屏。软件自带在线模拟和离线模拟功能可充分满足界面开发需要。根据系统功能要求, 系统的界面组成如图6所示, 主要包括手动操纵界面、自动运行界面、工件加工界面、信号监视界面、故障报警界面, 每个界面之间可以根据需要自由切换。

图6 触摸屏界面组成

　　(1) 手动操作界面如图7所示。通过界面按钮的操作可以实现以下功能: (1) X轴、Z轴回原点功能; (2) X轴、Z轴在点动模式下完成点动功能并且可以调节速度大小; (3) X轴、Z轴在增量模式下完成单位精度运动功能, 实现精确定位, 分别有1倍精度和10倍精度; (4) 主轴正反转点动功能; (5) 手动完成顺序换刀功能, 通过界面上的“换刀”实现换刀, 同时显示当前的刀号。在操作界面通过X轴、Z轴点动粗调和增量精调可以完成初对刀定位。

图7 手动操作界面

　　(2) 自动运行界面如图8所示。通过界面按钮的操作可以实现以下功能: (1) 参考工艺实现工艺加工功能和智能换刀; (2) 切换到工件加工界面输入加工参数完成一级阶梯轴加工; (3) 多级阶梯轴加工, 再次切回自动模式对刀, 然后在工件加工界面设置加工参数完成一级阶梯轴加工, 如此循环。

图8 自动界面

　　(3) 工件加工界面如图9所示。按照图纸要求设置好加工相关的参数, 包括工件直径、加工直径、加工长度、吃刀量、主轴速度、切削速度, 完成对刀后, 按“启动”按钮开始按照预定的轨迹运行。

图9 加工界面

　　2.4.4、PLC控制程序的设计

　　数控车床程序的编制总体思路是采用模块化程序结构。要创建模块化结构, 需要将复杂的任务划分为与过程的工艺功能相对应的更小的次级任务, 每个代码块都为每个次级任务提供程序段。根据数控车床的功能, 程序分成5个组成部分, 即5个块, 控制程序的总体结构如图10所示。

图10 控制程序的结构

　　在主循环组织块OB1中可根据条件决定块FC1~FC5的调用和执行, 特点是控制任务被分成不同的块, 调试方便, 不同的程序块只有在需要时OB1才去调用, 因此每次循环不是所有的块都执行, CPU利用效率高。FC1~FC5的作用如表2所示。

表2 控制程序各块的作用

　　对于数控车床, X轴、Z轴精确进给的实现是程序设计的重点和难点。在第2.4.2节中已经对X轴、Z轴工艺对象进行了配置, 配置完成后就可以在程序中对定位相关的功能块进行调用。常用的功能块有MC_Power、MC_Reset MC_Halt、MC_Move Relative, 其具体作用如表3所示。注意在FC2中调用定位功能块的时候必须有相对应的背景数据块, 如图10所示的DB1~DB4。

表3 控制程序中定位功能块的作用

　　3、数控车床的运行调试

　　3.1、硬件接线

　　硬件接线包括编变频器的主电路、伺服驱动器的主电路接线, 以及PLC的I/O接线。为了方便学生的安装调试, 所有器件安装在网孔板上, 具体的布置如图11所示。

图11 数控车床电气控制系统控制板

　　3.2、程序下载

　　电脑的IP地址设置为192.168.0.3, 通过网线把编写好的PLC程序和人机界面程序分别下载到所对应的硬件中, 即可进行调试。

　　3.3、参数设置

　　在调试前还需要对变频器和伺服驱动器的参数进行设置。参照FR-E700使用手册 (基础篇) [7]、台湾东元AC伺服TSTE系列技术手册[8]分别对三菱变频器和东元伺服驱动器相关参数进行设置。

　　3.3.1、三菱变频器参数设置

　　(1) 变频器以外部模式运行 (Pr.79=2) ;

　　(2) 根据电机实际参数设置变频器的上限频率 (Pr.1=50) ;

　　(3) 变频器运行加、减速斜坡时间为1 s (Pr.7=1;Pr.8=1) ;

　　(4) 三菱E740变频器的默认输入方式为漏型输入, 与西门子PNP晶体管输出型的PLC电平是不兼容的, 需将三菱变频器的输入逻辑选择的跳线改为源型输入 (即由SINK改为SOURCE)

　　3.3.2、伺服驱动器参数设置

　　(1) 伺服驱动器控制模式为位置控制模式 (Cn001=00002) ;

　　(2) 伺服驱动器上电后马上激磁, 忽略CCW和CW驱动禁止机能 (Cn002=H0011) ;

　　(3) 伺服驱动器脉冲命令控制形式:脉冲+方向, 脉冲命令逻辑为正逻辑 (Pn301=H0000) ;

　　(4) 电子齿轮比设为3∶1 (Pn302=00003;Pn306=00001) 。

　　3.4、伺服轴的调试

　　选择PLC→工艺对象→轴→调试, 并双击打开轴控制面板, 利用轴控制面板可以在不编程的情况下手动运行轴, 完成使能、点动、定位、回原点等功能, 并且可在控制面板上显示轴的运行状态。通过观察轴的运行情况来判断伺服系统的轴配置参数是否正确、外围控制线路接线是否正确, 如果如出现错误, 则需修改更正, 为后续的联调做好准备。

　　3.5 系统调试

　　在确定硬件接线、参数设置以及伺服轴的运行正确后, 安全起见可以先利用塑料棒来代替金属棒料进行加工, 如果有问题需要对程序修改, 反复调试确认所有功能无误后, 才可以开始金属棒的车削。

　　4、总结

　　教学用数控车床可以完成简单的阶梯轴的车削工艺, 复杂零件的车削需要圆弧插补来完成, 而这部分的编程相对比较复杂, 即使编写完成, 系统的稳定性相对于成熟的数控系统还是有很大的差距, 因此所研发的教学用数控机床主要目的是通过学生动手完成硬件接线、参数设置、程序编写到完成一个简单零件的车削加工, 让学生对数控系统的工作原理有更深入的认识。除此之外, 教学用数控机床还可以单独进行变频器的相关实验实训、伺服驱动器的相关实验实训, 对传统的实验实训设备作了一个有益的补充。

　　参考文献
　　[1]赵宝生.CNC32数控车床的设计[J].科技情报开发与经济, 2004, 14 (7) :167-168.ZHANO B S.Design of CNC Numerical Control Lathe[J].Sci/Tech Information Development&Economy, 2004, 14 (7) :167-168.
　　[2]丁锦宏.基于伺服电机的C61100车床数控化改造[J].机床与液压, 2014, 42 (14) :189-191.
　　[3]廖常初.S7-1200 PLC编程及应用[M].2版.北京:机械工业出版社, 2010.
　　[4]西门子 (中国) 有限公司.深入浅出西门子S7-1200 PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2009.
　　[5]西门子公司.SIMATIC S7-1200运动控制V13功能手册[M].2014.
　　[6]西门子公司.SIMATIC S7-1200可编程控制器系统手册[M].2015.
　　[7]TECO东元电机股份有限公司.台湾东元AC伺服TSTE系列技术手册[M].2007.
　　[8]三菱电机自动化 (中国) 有限公司.FR-E700使用手册 (基础篇) [M].2008.