基于運動控制器的數控車床模擬主軸系統*

□ 李 文

青島職業技術學院 海爾學院 山東青島 266555

1 課題背景

隨著我國制造業生產水平的不斷提高,以及產業結構調整與升級的進一步深化,我國制造業逐步實現從制造到智造，再到創造。

數控機床是零件加工的載體,是智能制造系統的基礎單元。傳統的數控加工設備及制造方法已難以適應柔性化、多樣化、復雜形狀零件高質量及高效加工的需求[1-3],小型化、個性化、操作簡便的數控設備成為制造業智能化發展的方向之一,各類運動控制器目前已廣泛應用于數控系統。筆者基于運動控制器設計了數控車床模擬主軸系統。

2 總體設計方案

CK6132數控車床屬于經濟型數控車床，為降低制造成本,機床主軸系統采用模擬主軸設計方案,由控制器通過變頻器控制主軸轉速。模擬主軸系統分為硬件和軟件兩部分。硬件包括電氣和機械兩部分，電氣部分主要由觸摸屏、運動控制器、變頻器、變頻電機、編碼器、電氣元件組成，機械部分主要由主軸箱體及主軸組件組成。軟件包括觸摸屏編程、運動控制器軟件開發及變頻器參數設置等。模擬主軸系統由觸摸屏設置參數,由運動控制器運行控制程序,向模擬量模塊發出指令,經模擬數字轉換,向變頻器發出0～10 V模擬電壓,通過變頻器控制變頻電機的轉速,再通過三角膠帶傳動將動力傳遞至主軸，主軸轉速通過編碼器反饋至運動控制器。編碼器旋轉軸與主軸通過同步帶傳動,傳動比為1∶1。

3 硬件設計

模擬主軸系統采用SMC604運動控制器、嵌入式處理器與現場可編程門陣列組成的硬件結構,可以適用不同廠家的伺服驅動器及伺服電機，提供伺服電機控制接口、輸入與輸出信號接口、通信接口等[4],工作電壓為直流24 V。通過以太網接口與上位計算機進行通信,采用BASIC Studio軟件開發控制程序。通過控制器局域網接口與EM06AX-C1模擬量模塊進行通信,實現數字量與模擬量的轉換。模擬電壓通過模擬量模塊JN2接口輸出至變頻器模擬電壓接口。主軸正反轉通過控制變頻器正反轉接口的通斷來實現,主軸轉速信號由編碼器反饋至運動控制器接口。

采用TK6071IQ觸摸屏,通過RS 232接口與運動控制器進行通信。通過觸摸屏界面的參數設置、按鈕等功能向運動控制器發出指令,對機床主軸進行轉速控制,并接收反饋信息。

采用EM06AX-C1模擬量模塊,通過控制器局域網總線與運動控制器連接。提供四路模擬量輸入接口、兩路模擬量輸出接口,實現模數與數模轉換。輸出電壓為0～10 V,通過電纜與變頻器連接。

采用FR-D700變頻器,功率為3.7 kW,交流輸入電壓為380 V,輸出端與變頻電機相連。變頻器正反轉接口由電氣線路中的繼電器觸點控制通斷,繼電器由運動控制器發出指令控制通斷。繼電器線圈的一端接運動控制器輸出接口,另一端連接外部直流24 V電源[5]。

模擬主軸系統電氣控制原理如圖1所示。

▲圖1 模擬主軸系統電氣控制原理

4 軟件設計

軟件設計的合理、正確可以確保模擬主軸系統正常運行，軟件設計主要涉及部件間通信、控制程序開發等任務[6-7]。

4.1 部件間通信

部件間通信指計算機與運動控制器、觸摸屏與運動控制器之間的通信。

(1) 計算機與運動控制器間通信。運動控制器不具備開發環境,采用BASIC Studio軟件開發程序需在上位計算機上進行,兩者之間采用以太網建立通信。建立通信時，運動控制器和計算機上分別設置網際協議地址。運動控制器的網際協議地址為192.168.5.11,計算機的網際協議地址為192.168.5.1。

(2) 觸摸屏與運動控制器間通信。TK6071IQ觸摸屏與運動控制器支持Modbus通信協議,通過RS 232接口進行連接。運動控制器端參數包括傳輸速率115 200 bit/s、數據位8、停止位1、校驗位2,觸摸屏端可編程序控制器類型為Modbus遠程終端單元，接口類型為RS 232，可編程序控制器預設站號為8，串行通信端口為COM1。

4.2 控制程序開發

數控車床模擬主軸系統控制程序開發分為觸摸屏界面設置、運行程序編寫、變頻器參數設置三部分。

4.2.1 觸摸屏界面設置

觸摸屏界面是模擬主軸系統人機交互的窗口,如圖2所示，包含主軸轉速、啟停按鈕、主軸倍率修調等信息。運動控制器位寄存器地址modbus_bit(a)與觸摸屏地址0X_(a+1)存在對應關系,a的取值范圍為0～9 998。運動控制器字寄存器地址modbus_ieee(b)與觸摸屏地址4X_(b+1)存在對應關系,b的取值范圍為0～9 998。

4.2.2 運行程序編寫

模擬主軸系統轉速控制程序在SMC Basic Studio軟件中進行編寫,編程時調用相關指令。控制程序分為手動模式和自動模式兩種。手動模式通過觸摸屏操作按鈕和參數設置轉速值，控制主軸啟停和速度調節。自動模式使主軸功能與進給軸功能相結合,完成零件的切削加工。模擬量輸出函數為SMCSetdaout,輸入與輸出信號控制函數為 SMCWriteOutBit。手動模式控制程序如下:

▲圖2 觸摸屏界面

auto:

dim MySpdle,bl

while true

//主軸倍率處理

IF modbus_bit(206)=1 Then //25%

modbus_bit(207)=1 //25%按鈕指示燈亮

bl= 0.25 //倍率25%

else

modbus_bit(207)=0 //25%按鈕指示燈滅

EndIf

IF modbus_bit(208)=1 Then //50%

modbus_bit(209)=1 //50%按鈕指示燈亮

bl= 0.50 //倍率50%

else

modbus_bit(209)=0 //50%按鈕指示燈滅

EndIf

IF modbus_bit(210)=1 Then //75%

modbus_bit(211)=1 //75%按鈕指示燈亮

bl=0.75 //倍率75%

else

modbus_bit(211)=0 //75%按鈕指示燈滅

EndIf

IF modbus_bit(212)=1 Then //100%

modbus_bit(213)=1 //100%按鈕指示燈亮

bl=1 //倍率100%

else

modbus_bit(213)=0 //100%按鈕指示燈滅

EndIf

IF modbus_bit(214)=1 Then //125%

modbus_bit(215)=1 //125%按鈕指示燈亮

bl=1.25 //倍率125%

else

modbus_bit(215)=0 //125%按鈕指示燈滅

近年來流行病學和遺傳學的研究顯示， 生物鐘節律是廣泛存在于生物體中重要的內源性調節機制，其對糖、脂肪等代謝的調控是調節能量代謝的重要途徑，同時也使能量代謝變化呈現出重要的特征——節律性以來適應生理功能的需要[11]。更重要的是，時鐘基因震蕩節律的異常與糖代謝以及心血管疾病密切相關[12-13]。有研究發現，生物鐘晝夜節律紊亂可導致糖代謝障礙、胰島素抵抗和代謝綜合征等[14],同時生物鐘節律紊亂也可能是糖尿病產生和進展的重要促發因素[15]。如前所述，積極探索糖尿病對心肌時鐘基因Bmal1/Per2的影響及具體形式可能為防治糖尿病心肌病提供新的治療方向。

EndIf

IF modbus_bit(216)=1 Then //150%

modbus_bit(217)=1 //150%按鈕指示燈亮

bl=1.5 //倍率150%

else

modbus_bit(217)=0 //150%按鈕指示燈滅

EndIf

IF modbus_bit(200)=1 Then //正轉

modbus_bit(201)=1 //正轉按鈕指示燈亮

modbus_bit(204)=0 //停止切斷

modbus_bit(202)=0 //反轉切斷

SMCWriteOutBit(10,0) //輸出信號正轉

MySpdle= modbus_ieee(210) //對主軸速度賦值

MySpdle= MySpdle*bl

smcsetdaoutput(0,MySpdle/150) //輸出模擬電壓值

else

modbus_bit(200)=0 //正轉停止

modbus_bit(201)=0 //正轉按鈕指示燈滅

SMCWriteOutBit(10,1) //輸出信號正轉切斷

EndIf

IF modbus_bit(202)=1 Then //反轉

modbus_bit(203)=1 //反轉按鈕指示燈亮

modbus_bit(204)=0 //停止切斷

modbus_bit(201)=0 //正轉切斷

SMCWriteOutBit(11,0) //輸出信號反轉

MySpdle= modbus_ieee(210) //對主軸速度賦值

MySpdle= MySpdle*bl

smcsetdaoutput(0,MySpdle/150) //輸出模擬電壓值

else

modbus_bit(202)=0 //反轉停止

modbus_bit(203)=0 //反轉按鈕指示燈滅

SMCWriteOutBit(11,1) //輸出信號反轉切斷

EndIf

IF modbus_bit(204)=1 Then //停止

modbus_bit(200)=0 //正轉停止

modbus_bit(202)=0 //反轉停止

modbus_bit(205)=1 //停止按鈕指示燈亮

SMCWriteOutBit(11,1) //反轉停止

SMCWriteOutBit(10,1) //正轉停止

smcsetdaoutput(0,0) //輸出模擬電壓值零

else

modbus_bit(204)=0 //停止切斷

modbus_bit(205)=0 //停止按鈕指示燈滅

EndIf

Wend

主軸轉速的反饋通過外置獨立編碼器來實現,運動控制器通過調用函數SMCGetEncoderUnit 讀取編碼器單位時間的反饋脈沖數,換算得到主軸實際轉速,顯示在觸摸屏界面上。

4.2.3 變頻器參數設置

模擬主軸系統采用三菱變頻器，它將變化的輸入模擬電壓轉換為頻率可調的交流電壓,控制主軸電機的轉速。輸入模擬電壓經繼電器由運動控制器通用輸出端口OUT10、OUT11發出,其狀態由程序控制,滿足主軸單元的切削需求[8]。主軸電機正反轉由變頻器外部對應端子的通斷來控制。

為保證變頻器的正確運行，設置如下參數[9-10]:運行模式選擇Pr79為0,模擬量輸入選擇Pr73為0,上限頻率Pr1為50,下限頻率Pr2為0,基準頻率Pr3為50,正轉端子選擇Pr178為60,反轉端子選擇Pr179為61,加速時間Pr7為5,減速時間Pr8為5,增益頻率Pr125為50。

5 結束語

數控設備的普及化是制造業數字化、網絡化、智能化的重要體現,SMC604運動控制器具有體積小、程序開發周期短、開放性好、可移植性強、操作簡單靈活、維護方便等優點,能夠克服傳統數控系統價格昂貴、生產準備周期長等問題,避免資源浪費。筆者基于運動控制器設計了數控車床模擬主軸系統,能夠實現機床的自動化控制,具有較高的應用價值。