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案例頻道目前，在機械加工企業中，為了使車床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，充分利用普通車床，就需要對普通車床進行機電一體化設計。設計方案主要有：一、以微機做為控制單元（主要是單片機），控制車床的進給系統，采用步進電機開環控制系統；二、人機界面（HMI）、可編程控制器（PLC）作為主控元件，替代傳統車床繼電器－接觸器組成的電器控制部分，其目的是為了提高車床電氣控制系統的可靠性，這種方法主要應用在組合車床以及生產線上的專用車床；三、采用專用的數控設備來控制車床的伺服進給系統，其伺服進給系統為步進電機開環控制系統。
這幾種方法各有特點：單片機的控制系統不但能控制車床的運動軌跡，也可以簡化車床的機械結構，但其接口設計復雜，可靠性低；而HMI、PLC組成的控制系統接口簡單，可靠性高，但不能控制車床的運動軌跡；專用的數控設備不但能簡化車床的機械結構，而且能控制車床的運動軌跡，但其價格昂貴，不適應經濟型數控機床。
近幾年隨著微電子技術、計算機技術、通信技術及自動控制技術的發展，HMI、PLC的功能越來越強；本文提出利用WEINVIEW HMI 控制步進電機和車床主軸來實現車床的數控化。
圖1 設備圖
2、方案確定
數控化是解決車床和運動部分的傳動鏈之間的關系，傳動鏈主要有：主軸傳動系統、進給傳動系統。為了能充分利用人機界面功能，方案設計如下：
1）主軸傳動系統采用變頻調速；
2）橫向進給和縱向進給傳動系統采用步進電機開環控制；
3）主要技術參數：橫向進給脈沖當量0.05mm/step，快進速度2mm/min；縱向進給脈沖當量0.001mm/step，快進速度1mm/min。車床總體方案如圖2：
圖2 車床總體布局圖
3、機械部分
3.1 主軸傳動系統
為了簡化主軸箱的結構，滿足主軸和轉矩要求，主軸傳動系統采用三相異步電機經皮帶、降速齒輪驅動主軸旋轉。
3.2 進給傳動系統
橫向進給和縱向進給傳動系統都采用步進電機經減速齒輪驅動滾珠絲杠副，推動刀架拖板做插補運動。為了提高進給傳動精度，齒輪選用具有調隙結構的直齒輪，滾珠絲杠副安裝時要預緊。
4、控制系統設計
4.1 硬件結構
為了系統便于擴展，提高系統的可維護性，本控制系統采用模塊化設計。它由四個子系統構成：人機界面顯示、PLC控制器、變頻器、步進電機驅動模塊。其控制系統組成邏輯圖如圖3所示，其人機界面選用性能穩定、功能強大的WEINVIEW MT8104。兩個步進電機選用同型號的反應式步進電機和相應的驅動器。
圖3控制系統組成邏輯圖
4.2 軟件結構
為了便于軟件調試，軟件結構采用模塊化結構，主要分為以下幾部分：步進電機控制模塊、進給系統定位控制模塊、數據輸入及數據傳輸模塊、元件故障檢測及報警模塊、人機界面監控與顯示。通過MT8104，設定系統相關參數，實時監控、顯示系統運作過程，達到人機交互操作的友好結合。
圖4 人機界面參數設定
元件故障檢測具有很高的可靠性，所以PLC控制系統的大部分故障來自于PLC外部元件，例如常見的有按鈕或行程開關觸點熔焊及氧化形成的短路或斷路故障。可將系統故障信息實時顯示在觸摸屏畫面上，并提示如何排查幫助，便于用戶處理系統電氣或機械故障問題。
5、系統可靠性保障
系統可靠性主要來源于控制中心單元穩定、準確、及時的反應與控制；人機界面結構及工作原理組成：
32bit RISC 200M CPU、顯示單元（LCD）、輸入單元（電阻式觸控面板）、通訊接口、數據存貯單元（64M DRAM/32M Flash）等；
圖5 人機界面結構
MT8000系列是WEINTEK自主研發的人機產品：Touch Panel 采用高可靠性精密電阻式工業級觸控面板，保證了精準的觸控精度，表面硬度高，觸控壽命長，可維持至少100萬次連續性操作。
圖6 觸控面板
LCD采用國際知名品牌廠商，同最優的供應商進行著緊密合作，并將累積13年HMI行業的使用經驗提供給供應商進行專案討論和工作改進；在主機板上、嚴格做好穩定性、抗干擾性等方面的測試，并外加電源隔離保護器，確保人機界面在現場使用的可靠性、穩定性和精準性。CPU選用32bit RISC 200M，快速響應PLC請求。串口最高波特率可以達到115200，保證了HMI和PLC通訊速度。
6、注意事項
由于PLC是循環掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，所以步進電機不能在高頻下運行，脈沖信號頻率只能在十至幾十赫茲范圍。步進電機的轉速與控制脈沖成正比，當步進電機在低頻運行時，為了保證系統的定位精度，脈沖當量又不能太大，這就是定位的時間太長。為了解決這個問題，將定位過程分為脈沖當量不同的兩個階段：粗定位和精定位。在機械結構上采用兩套變速機構，在粗定位階段由步進電機直接驅動刀架，精定位階段采用步進電機經降速齒輪來驅動刀架，兩套裝置有電磁離合器控制。
7、結束語
用HMI和PLC設計普通車床，簡單易行，可靠性高，抗干擾能力強。據WEINVIEW總部不完全統計，90％的銷量應用在機床行業，應用前景非常廣闊。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號