数控机床控制面板的设计
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【摘要】 在数控机床中,手动操作面板总是必不可少的,其特点是:(1)有些输入量是互斥的,不允许误操作,由机械的互锁关系来保证要求;(2)允许多个状态同时输入并可靠地做出相应的反应;(3)能对设备当前状态进行必要的提示,如使用信号灯、发光二级管或液晶显示屏。
【关键词】开关量 输入 输出 PLC
【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(a)-0159-03
由于数控机床中有大量的开关量信号需要处理,所以数控机床内部开关量信号的处理是相当重要的。当开关量信号数量较多时,可采用可编程控制器PLC来集中处理各种开关量信号。由PLC根据从 CNC 或现场(例如操作面板)输入的离散开关量信息,在内部进行逻辑运算处理,并完成输出控制功能。
1.1 机床操作面板按键设置
机床操作面板主要由操作模式开关、主轴转速倍率调整旋钮、进给速度调节旋钮、各种辅助功能选择开关、手轮、各种指示灯等组成。现有的设计大多将手动操作面板的输入／输出作为开关量I／O的一部分,统一由一台内置的或外置的可编程控制器(PLC)进行控制。各按钮、旋钮、开关的位置结构由机床厂家自行设计制作,因此各机床厂家生产的机床操作面板各不相同。在此以FANUC公司提供的标准操作面板配CK6140数控车床为例,其按键如表一所示。
1.2 部分操作按钮的功能和操作方法
(1)自动运行方式(MEM):用存储在CNC内存中的零件程序连续运行机床,加工零件。在自动运行状态下,按下操作面板上各种机床功能开关(扳动功能开关的同时,其对应的功能灯将点亮),可使该功能起作用。这些功能开关包括:
①单程序段(Single Block):在自动运行方式(MEM)下,启动“单程序段”功能,则按下程序循环启动按钮,执行完一段指令后程序暂停,机床处于进给保持状态;继续按下程序循环启动按钮,执行下一段程序后又停止。用这种功能可以检查程序。
②选择跳段(Block Delete):在自动运行方式(MEM)下,当“选择跳段”功能起作用时,当程序执行中到带有“/”语句时,则跳过这个语句不执行。
③选择停止(Option Stop):在自动运行方式(MEM)下,当“选择停止”功能起作用时,当程序执行到“M01”指令,程序暂停,机床处于进给保持状态。
④试运行(Dry Run):不装夹工件只检查刀具的运动。通过操作面板上的旋钮,控制刀具运动的速度。用于检验程序。
⑤机床闭锁状态:即机床坐标轴处于停止状态,而只有轴的位置显示在变。可以将机床闭锁功能与试运行功能同时使用,用于快速检测程序。
(2)编辑方式(Edit):选择编程功能和编辑方式,可以输入及编辑加工程序。
(3)手动数据输入方式(MDI):该方式可用于自动加工,也可以用于数据(如参数、刀偏量、坐标系等)的输入。
(4)返回参考点方式(REF):参考点是确定坐标位置的一个基准点,有时将参考点设置为换刀点。测量系统使用相对位置编码器的机床通电后应进行返回参考点。用操作面板上的开关或按钮将刀具移动到参考点位置即手动回参考点;用程序指令将刀具移动到参考点位置即自动返回参考点。
2 机床操作面板地址与连接器的引脚分配
2.1 输入信号
输入信号主要为操作面板的按钮信号、机床各种位置检测信号和来自CNC的信号,在此选择部分信号如下面各表所示。
2.2 开关量输入接口引脚定义
2.3 输也出信号
3 控制面板与数控系统的接口
控制面板与数控系统的接口如图1所示。
4 PLC 的选择与连接
4.1 选择要求
根据生产工艺要求,分析被控对象的复杂程度,进行I／O点数和I／O点的类型(数字量、模拟量等)统计,列出清单。适当进行内存容量的估计,确定适当的留有余量而不浪费资源的机型(小、中、大型机器)。并且结合市场情况,考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况,选定价格性能比较好的PLC机型。在选择 PLC 时主要考虑以下因素:
(1)功能范围。根据系统控制要求选择所需PLC模块的种类和数量,以及系统所需的I/O点数,并画出I/O连接草图。
(2)存储器容量。根据系统大小不同,选择用户存储器容量不同的PLC选择方法主要凭经验估算,其估算法有下列两种:
①PLC内存容量(指令条数)约等于I／O总点数的10～15倍;
②指令条数＝6×(I/O)+2×(Tm +Cn),式中,Tm为定时器总数,C n为计数器总数。有时可在其基础上增加20％的裕量。
(3)处理时间。PLC从处理一个输入信号到产生一个输出信号所需的时间称为处理时间。
4.2 机型选择
(1)主机机型选择
不同 CNC 的PLC,其程序容量、处理速度、功能指令以及非易失性存储区地址不同,考虑到通用性与扩展性,在此选择三菱 FX2N 通用模块,型号为FX2N-80MRD-001。
(2)开关量输入模块的选择
由于数控机床控制面板均为开关量,开关量输入模块将外部过程的开关量信号转换成可编程控制器CPU 模块所需的信号电平,并传送到系统总线上。其模块种类,按电压分主要有直流24V和交流220V两种,我们选择24V直流电压;按保护形式分有隔离和不隔离的两种,为保证系统可靠工作,我们选择光电隔离形式;按点数分有8点、16点、32点三种,考虑到数控机床的控制需要约为输入80点,在此选择FX2N-48ER。
(3)开关量输出模块的选择
开关量输出模块就是将CPU模块处理过的内部数字量信号转换成外部过程所需的信号,并驱动外部过程的执行机构、显示灯等负载。开关量输出模块的种类也很多,与输人模块一样,有各种电压等级、各种保护形式、各种点数。除此之外,开关量输出模块还有不同的输出方式(如晶体管输出、继电器输出等)和不同的输出功率。选择开关量输出模块时,有些内容与选择开关量输入模块相同,如选择电压等级、模块密度、备用点设计等。除此之外,根据开关量输出模块的情况还应注意输出方式、输出功率等内容。数控机床的控制需要约为输出50点,在此选择FX2N-32ER。
4.3 开关量输入和输出的连接
(1)通过I／O Link 输出的输入／输出信号。如机床操作面板的信号示意图所示。
(2)通过印刷电路板的信号转接信号。该信号用于操作面板侧信号的转接而设计的,如机床操作面板的信号示意图所示,信号名称为TR1 ～ TR8,该信号仅仅用于把通用开关信号(通过CA65插座)连接到强电柜侧的信号转接用。例如:将一开关信号连接到CM68的TR3上,由于CA65插头的TR3与该点相连,该信号就通过CM65连接到强电柜中了。
5 PLC外部电路设计
5.1 设计要求
PLC控制系统的电气设计包括:原理图、元器件清单、电柜布置图、接线图与互连图。电气设计时特别要注意以下几点:
(1)PLC输出接口的类型,是继电器输出还是光电隔离输出等。
(2)PLC输出接口的驱动能力,一般继电器输出为2A,光隔输出为500mA。
(3)模拟量接口的类型和极性要求,一般有电流型输出(－29mA～+20mA)和电压型输出(－10V～+10V)两种可选。
(4)采用多直流电源时的共地要求。
(5)输出端接不同负载类型时的保护电路。执行电器若为感性负载,需接保护电路,电源为直流可加续流二极管,电源为交流可加阻容吸收电路。
(6)若电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源,应在电源与PLC间加设隔离变压器、稳压电源或电源滤波器。
(7)注意PLC的散热条件,当PLC的环境温度大于55℃时,要用风扇强制冷。
5.2 抗干扰措施
(1)电源的合理处理,抑制电网引入的干扰
对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰,还可以在电源输入端串接LC滤波电路。
(2)安装与布线
PLC应远离强干扰源,在柜内PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200mm)。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载,如功率较大的继电器、接触器的线圈,应并联RC消弧电路。
PLC的输入与输出最好分开走线,屏蔽层应一端或两端接地,接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。
(3)I/O端的接线
输入接线一般不要太长。但如果环境干扰较小,电压降不大时,输入接线可适当长些。
输入/输出线不能用同一根电缆,输入/输出线要分开。
尽可能采用常开触点形式连接到输入端,使编制的梯形图与继电器原理图一致,便于阅读。
采用继电器输出时,所承受的电感性负载的大小,会影响到继电器的使用寿命,因此,使用电感性负载时应合理选择,或加隔离继电器。
PLC的输出负载可能产生干扰,因此要采取措施加以控制,如直流输出的续流管保护,交流输出的阻容吸收电路,晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。
(4)正确选择接地点,完善接地系统
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件,可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个,其一为了安全,其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。此外,屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内又会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作。
PLC控制器为了与所控的各个设备同电位而接地,叫系统接地。接地电阻值不得大于4Ω,一般需将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起,作为控制系统地。
6 结论
数控机床生产厂家根据自己机床的工艺特点,购买数控系统,经过二次开发,形成工艺性能和操作互不相同的数控机床产品。二次开发的工作量绝大部分在于开关量I／O的设计,而其中又有60%以上的工作是根据工艺性能与操作设计手动操作面板。事实上,手动操作面板的输入／输出仅仅是控制信号开关量I／O,对其驱动能力的要求很低,是一类特殊的数控机床开关量I／O。如果将手动操作面板的输入／输出与数控机床其它开关量I／O不加以区别,会大大增加数控系统二次开发的工作量,数控机床手动操作面板无法标准化和模块化,其经济性也会受到很大影响。
参考文献
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