螺旋行槽曲线轴专机的电气_设计_与制造 电气自动化论文

第25卷第6期（总第118期）机械管理开发

2010年12月

螺旋行槽曲线轴专机的电气（设计）与制造

汪磊

（经纬机械（集团）有限公司榆次分公司，山西晋中

030601）

【摘要】该设备是经纬机械（集团）有限公司根据用户的加工要求，自行研制开发的数控螺旋行槽曲线轴专机，该专机设计分两部分，机械部分，电气部分。该专机经试生产检验，符合设计要求，满足用户生产使用质量、技术要求，并已纳入用户产品的生产流水线使用。【关键词】数控系统；伺服系统；PLC；调试【中图分类号】TS103

【文献标识码】A

【文章编号】1003-773X（2010）06-0024-03

0引言

根据提供的加工曲线轴零件图纸，经纬机械（集团）有限公司工具分厂机械设计完后。由我们负责进行电气设计与安装调试。该专机设计有一个动力主轴，一个旋转轴和一个直线进给轴。动力主轴采用台湾HD5.ER20动力头。1选型

1.1数控系统的选型

考虑到性价比，数控系统选择用带有手摇脉冲发生器附加面板的北京KND-K90Ti二轴数控系统。KND-K90Ti系统是北京凯恩帝数控技术有限责任公司针对中国国情自主研究开发生产的新一代全数字的经济型两轴数控系统，控制电路采用了高速微处理器，超大规模定制式集成电路芯片，多层印刷电路板，显示器采用了高分辨率的液晶屏，整个工艺采用表贴元器件，从而使这套系统更为紧凑，体积大为缩小，同时也使系统的可靠性进一步提高，在控制面板上，将CNC操作面板与机床操作面板集成为一体，极大的简化了联机。全屏幕中文菜单操作，界面直观，操作更简化，从而使系统具有极高的性价比。伺服系统选用KND-SD100全数字交流伺服驱动器，该伺服系统和KND-K90Ti连接方便。电机选用KND三相交流伺服电机，功率为1kW。其中X轴设为了旋转轴并带有刹车.确保了X轴的旋转位置精度，Z轴设为直线位移轴。1.2PLC的选型

由于专机的进给是数控系统与伺服系统来控制的，PLC用来控制动力头的旋转和进刀深度，为了操作方便且便于调整选用了自动、手动两大功能。动作的逻辑顺序是PLC与数控系统一起来完成的。实际需要11个输入点，7个输出点。所以选用了西门子S7-200CPU224，具有14点输入，10点继电器输出的PLC。由于其结构紧凑，低成本以及功能强大的指令集，使得S7-200控制器是各种小型控制任务理想的解决方案，具有很强的适应性，可以应用于各种自动化系统。1.3动力头的选择

动力头也是该设备的一个主要部件，它的精度好坏直接影响到加工零件的精度，考虑到零件加工余量

收稿日期：2010-06-18作者简介：汪磊（1963-），男，浙江定海人，高级技师，从事机电维修工作。

不是很大，而且需要高的光洁度。因此,选用了台湾生

产的HD5ER20，0.75kW的高速钻铣头(2000转)。主轴转速可调（皮带盘调速），精度高。动力头有一个快进转换工进的阻尼系统，是用汽缸做动力，有进退限位开关和工进快退定位调整装置，大大减轻了设计、调整、加工的难度。1.4电器元器件的选择

按照电机功率、数控系统、驱动器电机功率、风扇，以及电磁阀电流的大小选择好元器件。电器元件采用德力西断路器、接触器和无触点开关等电器元件,使设备的可靠性、安全性更加稳定，极大地提高了机床的性价比。2设计步骤

2.1电气原理图设计

按照零件加工工艺顺序设计线路（见图1）。为了便于零件加工、调整，设计了自动加工、手动调整二大功能。手动是为了使该专机适应不同尺寸的零件（该零件是系列产品），便于调整专门设计的。数控系统与PLC结合来实现整个的零件自动加工[1]。数控系统和伺服系统来完成零件加工的位移精度，而动力头来完成零件的切削精度。

1电气线路图

自动控制是以数控系统控制为主，PLC控制为辅，通过数控系统的循环启动按钮启动主轴M03，输出给继电器（KA5），该继电器的常开触点再给PLC一个主

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轴启动信号（I1.3），以使主轴启动(Q0.0)，主轴启动的同时，PLC输出另一个信号（Q0.5）给继电器(KA3),该继电器的常闭触点再去控制数控系统，使数控系统程序暂停运行（SPK），直到主轴进给运行到位后，接近开关给PLC一个到位信号，PLC得到信号后延时1s再输出给继电器（KA2），通过该继电器的常开触点去控制数控系统循环启动（ST），数控系统通过程序控制两伺服轴进给，其中X轴做旋转运动，Z轴做直线运动，加工运行结束后回到起始点。2.2电气箱的设计

电路设计完后再设计电气箱（图2），电气箱要有足够空间放入电气控制板以及良好通风空间，安装系统面板附加面板以及按钮的位置，比例一定要协调，否则不美观，该机床电气箱是风琴式单开门落地电气箱，高低适中，人性化设计非常大气。

图2电气箱图

2.3

PLC的程序设计[2]

电气线路设计完成后，根据图3的PLC输入输出点来进行PLC程序的设计，本设备设计的一大特点就是用PLC和数控系统的输入输出的点来相互控制、相互制约。

3PLC梯形图

3调试

电气线路安装完毕仔细检查无误后方可送电，先

断开断FU3与FU4，合上电源开关QF1,测量控制变压

器输出电压是否正常，如正常后,再合上FU3、FU4。这时PLC得电,检查PLC的所有输入点与按钮、接近开关、断路器保护等是否一一对应，检查无误后，通过西门子PLC的专用数据线与电脑联机通讯进行PLC程序传输，传输完毕点击PLC运行，这时就可以调试运行了。

合上电源开关QF1、QF4,断开QF2、QF3，短接L+与L+1,按驱动器启动按钮，KM3吸合，驱动器得电。旋钮SB8置于ON位置给数控系统送电，开始调试PLC程序。

PLC的调整，将旋钮SB2置于手动位置，按动力头启动按钮SB6，Q0.0输出，接触器KM1吸合，(此时主轴不转)再按动力头停止按钮SB7，Q0.0失电；调整主轴原位：接入3kg的空气调整气水分离器使空气稳定，空气阀上有手动调整功能将动力头手调到最高位置，汽缸上两头也有调整螺丝将速度调整合适，在把原位接近开关调整到位，使其感应有信号输出，此时，PLC输入点I1.1输入指示灯应点亮；然后拆除L+与L+1的短接线，合上断路器QF2、QF3；按动力头启动按钮SB6,动力头旋转，观察旋转方向是否正确，如不正确关闭电源，调整相序即可。

按进给按钮SB3（PLC的I0.2点）、Q0.3输出，KA1动作，进给电磁阀吸合，动力头做快速进给运动，在阻尼系统的作用下转为工进速度，工进的距离是可调的，根据实际加工零件的尺寸来调整。工进尺寸是有一个带刻度的定位螺丝来保证精度的，在手动时不会自动返回。这时需要再按一次进给按钮SB3，停止Q0.3的输出动力头才可返回。动力头的进退是用一个按钮来实现的。需要说明一点钻削头（动力头）在自动加工时工进到位是先感应终位接近开关1SQ，这时动力头还没有工进到零件加工尺寸精度的机械定位点，这里有一个时间差，当接近开关1SQ将感应信号输入到点I1.0，在PLC内部设计一个延时，而这个延时就是为了克服这一段的时间差，这个延时时间要大于剩余的工进时间，等到工进定位、延时到后，再执行下一个动作指令，（延时设了1s），这是为了确保加工定位精度。以上是PLC的调整。

数控系统的调试，按照KND数控系统驱动器使用说明书调整设置系统参数、回零参数、硬限位。考虑到本设备Z轴的行程不是很长，因此，将快速与回零的速度参数做了适当的调整，该设备没有设软限位，只有Z轴正负二个方向做了硬限位,X轴是旋转轴没有设限位开关，设计时把X轴设计为旋转轴，按KND的说明书把002号参数第七位设为“1”时，X轴就设置为旋转轴。

X轴的调整，将系统参数X轴的指令倍乘比与指令分频系数都设为1，在调整X轴驱动器参数；位置指

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1200

令脉冲分频分子，位置指令脉冲分频分母，使X轴旋转一周机床坐标为0~359.999o，再调整好回零开关，这时X轴数控系统参数就全部调整完成。

Z轴的调整，一先选用手轮方式把Z轴摇到+、-两端，看进给方向是否与手轮方向一致，如不一致调整系统参数使其一致，二是调整两端的限位开关和回零开关，要有信号送回数控系统（它们的点在系统诊断中可以看到）。调整好后就可以开始调整位移精度，设电子齿轮比。将系统参数、Z轴的指令倍乘比与指令分频系数都设为1，然后调整Z轴驱动器参数，位置指令脉冲分频分子，位置指令脉冲分频分母，调整定位精度和反向间隙，将百分表找一合适的位置装上，将表针调到零位，找一个100mm的千分尺，测量棒。反复移动Z轴在100mm之间测量，直到系统显示屏Z轴的数与百分表的数值吻合，使机床移动准确无误。X、Z轴调整完后，再将方式选择开关选到回零方式，按回零健，两轴开始回零，回零后停止。然后选择手动方式，调试机床的其它功能。该设备把系统冷却功能当作进给用了,按一下冷却启动M08输出KA4动作，PLC的I1.2得电，Q0.3输出动力头开始进给，并调整好快进工进速度，在按一下冷却按钮，动力头退回到原位。将主轴装上合金转铣头，不要启动主轴，按工进（冷却启动）按钮，使主轴工进到底后不要动，将加工零件装到工装上，用手轮将X、Z轴和还有一个手动调节轴一起对到零件加工的起始点，对好后，手动调节轴有一个固定螺丝将该轴锁紧，将X、Z轴的坐标数记住设为坐标系。装上零件手动启动主轴在按进给按钮调节转铣加工深度，工进尺寸是有一个带刻度的定位螺丝来保证精度的，精度调好后，在把终位接近开关也调好，该机就调试完毕。整机见图4（在手动状态下PLC和数控系统可以分别调整动力头的进给）。

4试运行

安装调试结束后，系统编程这里也要说明一下，主轴启动M03后，为了保险要暂停0.5s来等PLC给系统输入暂停信号（SPK）程序如下

M03;

G04X0.5;

G01U76.11°11W-7.4F500;G01U155.3°W-35;M05;G04X0.5;

G00U-231.41°;G00W42.4;M30;

在自动方式下，不要装零件，选择单段运行，把SB2板到自动，(动力头必须在原位方可自动运行)按系统循环启动按钮，主轴启动，此时冷却泵也开始运转，空运行动作无误后装上零件，开始首件加工，按循环启动按钮开始加工，由于前期工作做的比较细致，所以首件加工一次成功。该机加工的产品零件图见图5。

5产品零件照片

5结束语

该机型设计的成功是在机械及电气设计制造等多方面的努力下完成的，该机型设计成功其特点，是性价比高、工作效率高，加工一个零件从上料到下料只需要35s就完成了。用户在一年的使用过程中没有出现过任何故障，得到了用户的一致好评，受到了用户高层领导的高度赞扬。

通过这次设计使我们更加了解数控系统与PLC结合的灵活性，为今后机电一体化的优化设计打下了很好的基础。

[1]

钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用[M].广州：华南理工大学出版社，2005：273-278.

刘炳文.VisualBasic程序设计教程[M].第2版.北京:清华大学出版社，2003：102-106.

参考文献

4机床照片

[2]

ElectricalandManufacturingofSpiralLineTroughAxisPlane

(JingweiMachineryCo.,Ltd,Jinzhong030601,China)

〔Abstract〕ThisequipmentisdevelopedbyJingweimachineryaccordingtotherequirementofclient,thisdesignhastwoparts:Mechanicalpartandelectricalfart.Thispaperdiscussedthefeelingandexperiencesoftheelectricaldesign.Throughproductiontesting,Thisplanemeetsthedesignrequirementts,userqualityandtechnicalrequirements,andhasbeenincorporatedmeetsthedesignrequirements,userquallityandtechnicalrequirenents,andhasbeenincorporatedintotheproductionlene.〔Keywords〕NCsystem;Servosystem;PLC;Debugging

WANGLei

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