立式车床电气控制系统的研究
2019-11-20 来源：中捷机床有限公司 作者：刘野
1、立式车床电气控制系统
普通立式车床的电气控制系统，采用继电器、接触器实现对刀架、主轴的控制，并完成相应的保护，为了实现机床的自动化，可以利用四门子 S7-300 进行控制。
采用直流伺服电机对车床提供动力，可以提高运转效率、过载能力大，同时它的运转平稳，易于控制，而对于电动机的控制，采用双回路控制方式，如图 1。
图 1 速度环与电流环控制回路
在控制回路中，电流环是作为控制回路的内环，通过接收速度的指令后，在做出反应，电路控制中通过电流偏差输出电动机控制电压。
利用这个回路的优点有以下几点：
（1）该回路是标准软件模块和控制回路的结合体；
（2）具有完善的保护功能和诊断功能；
（3）有串行通信接口，可以与计算机或者传动装置建立加工过程控制系统；
（4）采用专用的控制模块，使机床的传动简单可靠。立式车床的电气控制系统的设计可以考虑将控制电路与主电路分离开，将内部的连线简化，这样会降低主电路的干扰以及操作安全性，同时电枢控制不受相序旋转的影响，电气元件选择标准化零件，减少备件的种类，实现单一性。
2、PLC控制
立式车床 PLC 控制系统主要是对机床进行逻辑控制，包括工作台的启停、制动和电动，同时还对电动机实现变速，机床横梁的上下移动，刀架的相应运动以及照明等。
S7-300PLC 是一个模块化、无风扇的系统，易于用户操作和掌握，性价比高，组成部分包括导轨、电源、中央处理器、接口、信号、功能模块等。
S7-300 的通信接口有 AS-i 接口、PROFIBUS 和以太网接口。通信类型有过程通信和数据通信，过程通信主要是对总线和 I/O，数据通信是人机界面和控制系统之间的通信。
S7-300PLC 硬件配置如图 2 所示。
图 2 S7-300 硬件配置
它的供电采用 DC24V，这样对硬件和 PLC 可以起到一个相应的保护，同时硬件配置上还带有负载开关，做好软件的短路保护。
应用 STEP 7 作为 S7-300 的软件，它是 S7-300 的标准配置，是实现组态和编程的软件，功能有设置和管理、分配参数、管理符号、创建程序、编程、测试、运行等，软件内有三种编程语言，STEP 7 可以通过以下三程序来编写 PLC 控制程序：
（1）线性程序
这个方法是将用户编写完成的程序放置在一个指令快内，机床在执行时候，是通过线性或者顺序的方式；
（2）分部编程
这个是将程序分离开，将任务分解成子任务，每个子任务由一个 FC 完成，这样在执行时候，不会数据交换，也没有重复代码；
（3）结构化程序
是指对控制中控制过程和控制要求相近或类似的功能进行分类。
3、刀架位置模糊PID控制
立车加工范围广，加工材料的性能也不同，有的材料需要粗糙度要好，有的材料硬度高，所以对机床刀具的要求也高，进给量也随之而改变，如何实现刀架的位置精度和控制的准确性，是非常重要的。
模糊控制系统通过模糊集合论、语言变量以及推理，再通过计算机智能控制，可以准确把控车床的刀架位置，图 3 为组成框架。
图 3 模糊控制器组成框架
模糊化接口，是控制器输入与输出求解的重要接口，作用是将真实的确定量变成一个模糊矢量。
知识库，数据库和规则库构成了知识库，数据库是模糊控制系统存放变量和模糊子集的知识库，规则库包含模糊语言变量标识一系列控制规则。
推理与解模糊接口，这个是对之前控制系统中模糊量和变量进行求解的模块，并最终获得模糊控制量的部分。
模糊 PID 控制是根据专家和操作人的经验，在根据模糊控制系统、数据模型，对机床系统控制的方法，通过对系统过程模式的识别，利用模糊控制规则对 PID 参数进行修改，达到 PID 参数模糊自整定的目的。
4、结语
立式车床实现数控可以大大提高加工精度和加工效率，应用数控技术，从总线到网络控制设计，在到最后的PLC 软件，实现车床自动化是密不可分的，对于参数变化范围较大时候，利用模糊 PID 控制就可以增加使用性能，立车的最终方向是向着高速、实时、可靠的集成性自动化方向，PLC 软件编程是实现控制的最好办法。
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