多挡位数控车床变频主轴定位准停功能改造

2021-09-28李艳李玉军沈继章

金属加工(冷加工) 2021年9期

李艳，李玉军，沈继章

1.枣庄学院山东枣庄 277000

2.滕州高级技工学校山东滕州 277500

1 序言

在经济型普通数控车床中，应用最广的是高低两挡数控车床。这种数控车床通过主轴箱进行换挡变速，同时配有变频调速电动机，实现主轴在较宽的转速范围内无级调速，这样既可以进行高挡位的高速切削，又可以在低挡位进行大转矩切削。随着日益复杂的工件加工要求和机器人上下料的普及，用户希望这类车床可以实现主轴随时定位准确停止。但是由于主轴变频器调速常为开环控制，无法实现主轴在每个挡位上准确定向停止。

当前，普通数控车床配合机械手自动化上下料加工比较多，尤其是遇到有位置加工要求的工件时，手动或点动旋转主轴至特定位置等操作都存在不足。而采用伺服主轴控制，机床的价格成本比较高，因此采用得比较少。为此，结合高低挡位数控车床的结构特点，提出了一种变频主轴定位停止的控制方法。该方法是在原机床的基础上，不需要更换高挡变频器和更昂贵的伺服系统，进行电气控制修改和PLC控制增加，修改变频器参数，就可以使机床在不同挡位都可实现定位停止。

2 控制模式改造

以经济型车床CLK6140D/2高低二挡数控车床为例，变频器为E580系列矢量型通用变频器。原机床的控制模式如图1所示。

图1 原机床的控制模式

图1 所示的控制方式为开环控制，数控系统将不同速度的指令转化成不同大小的模拟电压指令给变频器，变频器输出不同的频率使电动机进行相应速度指令的旋转。

为实现主轴定位停止，从电气控制上进行创新设计，增加通用型可编程控制器、PG卡及继电器。改造后加入定位停止的控制模式，如图2所示。

图2 改造后的控制模式

在图2中，数控系统输出高低挡定位信号（KA3、KA4闭合）给可编程控制器，经过控制器内部PLC处理，将各个参数信号赋予变频器，变频器控制电动机停止。同时，编码器会将主轴停止位置反馈给变频器，PG卡将位置反馈给数控系统，形成闭环矢量控制方式。可编程控制器作为中间通信模块，在变频器与数控系统之间架起换挡、定位停止的桥梁，进行变频器内部参数的改变，无需进行大量的PLC程序设计。

3 电气控制原理

变频器增加定位停止的电气原理如图3所示。断路器QF控制变频器及电动机电源，数控系统输出的主轴转速模拟量信号SVC、AGND接入变频器A11、GND端子，通过改变变频器频率，主轴电动机以不同转速旋转。数控系统中的PLC程序控制继电器KA1、KA2的线圈接通，使主轴正、反转。变频器发生故障，TA、TB端子输出报警。为使主轴定位停止，增加KA3、KA4两个继电器控制高低挡的定位。

图3 中KA1、KA2常开点分别控制主轴正转、反转，KA3为挡位切换控制，KA4为主轴定位停止控制。该控制电路默认为在高挡加工时进行定位停止，当需切换为低挡进行定位时，继电器KA3常开点闭合。无论在哪个挡位都需执行定位停止指令M26，数控系统输出信号，KA4常开点闭合，执行定位停止取消指令M27，KA4断开。

图3 电气原理

4 PLC改造

具体操作如下。机床在高挡执行M42加工时，程序中输入M26定位停止指令，数控系统P L C输出，K A4常开点闭合，可编程控制器与变频器通信，主轴执行定位停止。当机床在低挡执行M41加工时，数控系统PLC输出，KA3、KA4常开点闭合，可编程控制器与变频器通信，主轴执行定位停止。980TDc系统PLC程序截取部分程序如图4所示，其中Y3.3控制KA3线圈，低挡选择时执行；Y0.7控制KA4线圈，执行M26定向选择、M27定向取消。