PLC与触摸屏在开齿机数控系统中的应用

引言

    近年来，在屠宰、刀剪制造、机械加工和木工等领域，相继有各种款式的开齿机问世。它的主要功能就是开齿和修磨，也可以作为校正专用工具的设备。在不同行业，根据不同场合的要求，有单轴、两轴和三轴开齿机供用户选择，实现各种不同加工目的和要求。其控制系统也有从简单的液压驱动到复杂的步进甚至伺服驱动发展，通常可采用专用数控机床企业开发的数控系统控制，但操作复杂。成本比较高。由于PLC近年相继开发出可实现各种特殊功能的功能模块，根据设备工艺，可以采用定位模块来实现系统的定位伺服驱动，用模拟量输出模块实现系统的机电调速驱动，用人机界面来实现人机友好操作，这样就组成一个简单而有效的、成本相对较低的数控系统。按这种方案，详细介绍一种三轴开齿机的电气控制系统及其软件的设计过程。

1设备结构及工作原理

    三轴开齿机主要是由机座架体、夹压机构、切削砂轮和修整轮等部分所构成。共有3个移动轴XYZ：机座水平方向移动轴X、砂轮前后方向移动轴y和夹具上下方向移动轴Z。修整轮固定在机座架体上，由一个定位伺服电机驱动X轴进给；夹压机构也固定在机座架体上，用来对工件进行固定夹紧以便于加工，由一个液压缸通过一个液压阀来控制夹紧，另液压缸通过一个液压阀来控制作上下Z轴运动；切削砂轮用来研磨工件，它的转速由一个变频器控制电机来实现，砂轮座由一个定位伺服电机驱动y轴进给。开齿机有手动和自动功能，在手动状态下，可以实现设备一些初步的状态调整和功能调试，自动过程根据实际加工的不同情况，有单独启动X轴、启动XY联动和启动XYZ轴联动的方式。

    在加工过程中，切削砂轮会磨损，形状会变化，应及时用修整轮对它形状进行合理的修整，修整后会砂轮和修整轮都会产生磨损量，应进行补偿设置。

    开齿机工作时先启动有关电机，在手动状态下用夹压机构定位夹紧待磨工件，然后进行手动对刀，设定工作程序零点，选择好工作方式，如选择联动方式，则要对齿形进行编程，定好开齿加工轨迹，设置好有关参数，再启动自动功能。

2硬件系统设计

    根据设备工艺，硬件系统如图1所示，由PLC、触摸屏、定位模块、伺服驱动器、伺服电机、模拟量输出模块、变频器、三相感应式异步电动机、开关量输入部分及开关量输出部分等，组成了XY轴伺服定位系统、Z轴液压驱动系统和砂轮调速系统。

    图1系统硬件原理

    PLC是整个系统的控制核心，采用三菱FX2n-48MT，触摸屏是系统的人机界面，采用威纶通的eView MTS08T，定位模块采用三菱FX2N-20GM，伺服控制系统采用三菱交流伺服放大器MR—JZS-200A配备三菱伺服电机HC-SFS-153，模拟量输出模块采用三菱FX2N-2DA，变频器采用三菱FR—F740变频器。

    通过RS485与PLC连接组成人机操作系统。FX2n～20GM不仅可以处理单速定位和中断定位，且能处理复杂的控制，能同时执行2轴控制，可实现线性插补和圆形插补功能。MR—J2S-200A额定输出功率为2 kW，是三菱开发的具有更高性能和更高功能的伺服驱动器，有位置控制、速度控制和转矩控制可供选择，广泛用于需要高精度位置控制和平稳速度控制的场合，支持ABS模式，具有优异的自动调谐性能和机械分析功能。伺服电机HC-SFS-153采用高性能的CPU和分辨率为131 072脉冲／转的绝对位置编码器，大大提高了的响应性，具有进行更高精度控制的能力。FX2N-2DA可将12位数字量转换成2路模拟量输出(电压或电流)，使用其中一路的模拟量输出，连接到变频器转速给定，就可以对其转速进行调节。FR-F740系列变频器为多功能型，适合一般负载使用。开关量输入部分有：XY轴的减速回零近点开头、正／反向限位开关、各种报警信号输入、Z轴上到位和下到位开关等。开关量输出部分有：控制各电机接触器的信号输出和变频器的启动与停止信号等。

3软件系统设计

    3．1 人机界面的软件设计

    根据设备工艺和控制要求，触摸屏的操作界面用EB500软件进行设计，操作系统主要设有7个界面：信息界面、调试窗口、开机界面、手动界面、功能界面、修整界面和开齿界面，其中从信息界面有进入调试窗口的转换按键，从功能界面有进入修整界面和开齿界面的转换按键。开机界面和手动界面如图2所示。

    图2人机控制界面

    信息界面为开机初始界面，设有日期和时间的显示、机器使用状态显示、机器故障报警显示、设备信息和厂家信息等，当机器发生故障时自动跳回本界面。开机界面设计有油泵、砂轮、修整轮、水泵、润滑泵等电机启动和停止的按键以及砂轮转速设置项，通过按下砂轮转速弹出的小键盘可实现对其转速进行调节。

    手动界面设计有XYZ轴手动移动键、步长设置项、回机械零点键、紧刀键、松刀键、程序零点设置键及Xy位置值的显示，是一个手动状态界面，通过各按键，可以实现手动调试和初步调整。

    进入功能界面后可选择进入修整界面和开齿界面，开齿界面设计有Z轴启动键、工作方式键、开齿数、启动键、停止键、数据设置窗和程序控制窗等。

    修整界面设计有修整轮补偿量、修整进给速度、砂轮补偿量和其它与开齿界面相类似操作项。调试窗口设计有关调试的按钮，当设备出现故障时，拒绝接受任何手动和自动状态下的移动指令，在信息界面通过输入正确的密码进入调试窗口，在调试状态下可接受手动状态下的各移动指令，进行维修和故障恢复。