1、引言

    目前，在機械加工企業(yè)中，為了使車(chē)床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，充分利用普通車(chē)床，就需要對普通車(chē)床進(jìn)行機電一體化設計。設計方案主要有：一、以微機做為控制單元（主要是單片機），控制車(chē)床的進(jìn)給系統，采用步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制系統；二、人機界面（HMI）、可編程控制器（PLC）作為主控元件，替代傳統車(chē)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(chē)床電氣控制系統的可靠性，這種方法主要應用在組合車(chē)床以及生產(chǎn)線(xiàn)上的專(zhuān)用車(chē)床；三、采用專(zhuān)用的數控設備來(lái)控制車(chē)床的伺服進(jìn)給系統，其伺服進(jìn)給系統為步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制系統。

    這幾種方法各有特點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C的控制系統不但能控制車(chē)床的運動(dòng)軌跡，也可以簡(jiǎn)化車(chē)床的機械結構，但其接口設計復雜，可靠性低；而HMI、PLC組成的控制系統接口簡(jiǎn)單，可靠性高，但不能控制車(chē)床的運動(dòng)軌跡；專(zhuān)用的數控設備不但能簡(jiǎn)化車(chē)床的機械結構，而且能控制車(chē)床的運動(dòng)軌跡，但其價(jià)格昂貴，不適應經(jīng)濟型數控機床。

    近幾年隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，HMI、PLC的功能越來(lái)越強；本文提出利用WEINVIEW HMI 控制步進(jìn)電機和車(chē)床主軸來(lái)實(shí)現車(chē)床的數控化。

    2、方案確定

    數控化是解決車(chē)床和運動(dòng)部分的傳動(dòng)鏈之間的關(guān)系，傳動(dòng)鏈主要有：主軸傳動(dòng)系統、進(jìn)給傳動(dòng)系統。為了能充分利用人機界面功能，方案設計如下：

    1）主軸傳動(dòng)系統采用變頻調速；

    2）橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統采用步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制；

    3）主要技術(shù)參數：橫向進(jìn)給脈沖當量0.05mm/step，快進(jìn)速度2mm/min；縱向進(jìn)給脈沖當量0.001mm/step，快進(jìn)速度1mm/min。車(chē)床總體方案如圖2：

    3、機械部分

    3.1 主軸傳動(dòng)系統

    為了簡(jiǎn)化主軸箱的結構，滿(mǎn)足主軸和轉矩要求，主軸傳動(dòng)系統采用三相異步電機經(jīng)皮帶、降速齒輪驅動(dòng)主軸旋轉。

    3.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統

    橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統都采用步進(jìn)電機經(jīng)減速齒輪驅動(dòng)滾珠絲杠副，推動(dòng)刀架拖板做插補運動(dòng)。為了提高進(jìn)給傳動(dòng)精度，齒輪選用具有調隙結構的直齒輪，滾珠絲杠副安裝時(shí)要預緊。

    4、控制系統設計

    4.1 硬件結構

    為了系統便于擴展，提高系統的可維護性，本控制系統采用模塊化設計。它由四個(gè)子系統構成：人機界面顯示、PLC控制器、變頻器、步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊。其控制系統組成邏輯圖如圖3所示，其人機界面選用性能穩定、功能強大的WEINVIEW MT8104。兩個(gè)步進(jìn)電機選用同型號的反應式步進(jìn)電機和相應的驅動(dòng)器。

    4.2 軟件結構

    為了便于軟件調試，軟件結構采用模塊化結構，主要分為以下幾部分：步進(jìn)電機控制模塊、進(jìn)給系統定位控制模塊、數據輸入及數據傳輸模塊、元件故障檢測及報警模塊、人機界面監控與顯示。通過(guò)MT8104，設定系統相關(guān)參數，實(shí)時(shí)監控、顯示系統運作過(guò)程，達到人機交互操作的友好結合。


    元件故障檢測具有很高的可靠性，所以PLC控制系統的大部分故障來(lái)自于PLC外部元件，例如常見(jiàn)的有按鈕或行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)熔焊及氧化形成的短路或斷路故障?？蓪⑾到y故障信息實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏畫(huà)面上，并提示如何排查幫助，便于用戶(hù)處理系統電氣或機械故障問(wèn)題。

    5、系統可靠性保障

    系統可靠性主要來(lái)源于控制中心單元穩定、準確、及時(shí)的反應與控制；人機界面結構及工作原理組成：

    32bit RISC 200M CPU、顯示單元（LCD）、輸入單元（電阻式觸控面板）、通訊接口、數據存貯單元（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(cháng)，可維持至少100萬(wàn)次連續性操作。


    LCD采用國際知名品牌廠(chǎng)商，同最優(yōu)的供應商進(jìn)行著(zhù)緊密合作，并將累積13年HMI行業(yè)的使用經(jīng)驗提供給供應商進(jìn)行專(zhuān)案討論和工作改進(jìn)；在主機板上、嚴格做好穩定性、抗干擾性等方面的測試，并外加電源隔離保護器，確保人機界面在現場(chǎng)使用的可靠性、穩定性和精準性。CPU選用32bit RISC 200M，快速響應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(jìn)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(jìn)電機的轉速與控制脈沖成正比，當步進(jìn)電機在低頻運行時(shí)，為了保證系統的定位精度，脈沖當量又不能太大，這就是定位的時(shí)間太長(cháng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，將定位過(guò)程分為脈沖當量不同的兩個(gè)階段：粗定位和精定位。在機械結構上采用兩套變速機構，在粗定位階段由步進(jìn)電機直接驅動(dòng)刀架，精定位階段采用步進(jìn)電機經(jīng)降速齒輪來(lái)驅動(dòng)刀架，兩套裝置有電磁離合器控制。

    7、結束語(yǔ)

    用HMI和PLC設計普通車(chē)床，簡(jiǎn)單易行，可靠性高，抗干擾能力強。據WEINVIEW總部不完全統計，90％的銷(xiāo)量應用在機床行業(yè)，應用前景非常廣闊。