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PLC和交流伺服在数控钻铣床中的应用

作者：谷保艳

引言

在新开发的产品中有一个型号为Q7的长条铝基台，要在上面加工两个φ3.7×1.65

的平底盲孔，由于要求精度高，批量大，故无法用传统的钻模在钻床上加工，也

很难在传统铣床上面加工，即使能加工效率也很低，并且设备损耗和电力损耗也

很大。此工件的加工有着非常广泛的代表性，生产的很多产品有着类似的要求，

为此，我们设计制做了一台用于此类产品加工的设备——通用型数控钻铣床。

一、系统概述

系统构成如图1所示，控制部分采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、

设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交

流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工

作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工

件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设

二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界

面处显示报警信息。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快

慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。此机床整体虽为半闭环控制，

只要选件、装配、程序编制及操作合理，精度和稳定性还是能满足使用要求的。

图1

二、硬件配置

PLC选用永宏的FBS-40MCT，该型机具有较高的性价比，体积小，功能强，24

点输入，其中有16点高速计数器，频率可达120K，16点输出，其中有4轴步

进或伺服输出整合在里面，输出频率可达120K，使应用起来非常方便，接线简

捷。编程软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强大，编辑、

监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指

引，使编辑、输入效率倍增。

接点分配：取各轴伺服电机的Z相信号作原点开关，要分接在几个高速输入点上，

用中断进行机床原点复归，其余限位开关、操作开关、液位检知等常规接点可按

顺序依次接入。X、Y、Z三轴伺服电机连在前3轴伺服输出点，主轴高低速、冷

却、报警等接在其余输出点上。

X、Y、Z3轴伺服系统均选用相同的，和利时的ES系列全数字交流伺服驱动器

0040E-CBCEE-02，和60系列小惯量的伺服电机60CB040C-2DE6E。该伺服系

统功能比较完善，如能耗制动、电子齿轮、自动加减速等，具备多种脉冲串输入，

保护功能也比较完备，有欠压、过压、过流、过载、堵转、失速、位置超差、编

码器异常等。在此设备中按集电极开路驱动方式连接至PLC，最高脉冲输入频率

为200K,伺服ON、Z相信号等也做相应连接。

变频器选用富凌的DZB70B0015L2A，规格为单相1500W，400Hz，有多步速供

编辑使用。由于正常使用时不频繁变速，故速度调节设定不引出，只在变频器操

作面板上调节，设定两个速度，高速用于加工，低速用于对刀。调节相关参数与

主轴匹配，如基频、基压、运行频率上限、载频等，并改动相应跳线。

主轴没有采用传统方式，而是根据加工需要，采用了雕刻机用的电主轴，安阳莱

必泰的ADX80-24Z/1型，其体积小、噪音低，直径只有80mm,这样使整个主轴

箱便于整体密封，可有效地防止加工中的碎屑飞溅到Z轴的丝杠和导轨上造成损

害，也使主轴箱外表显得美观。它的最高转速为24000转/分，使正常工作转速

6000-14000转有一个合适的余量范围。

人机界面选用人机电子的通用可编程文本显示器MD204L，它可以以文字或指示

灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。

三、软件设计

机床工作的流程图如图2所示，开机后先检测手动开关是否有效，若手动开关有

效，即利用各手动控制开关执行手动操作的项目。若手动开关无效，则启动原点

复归程序，各轴进行机床原点复归，先回Z轴再回其它两轴，当所有轴都原点复

归成功后才能进行到下一步。若刀具和工装夹具、工件程序均没有变动，可复位

到加工预备状态而不进行对刀，若需对刀，则打开对刀开关启动对刀程序，3轴

分别对刀，即找工件原点，利用手动各轴移动开关快慢移动各轴，使工件的三个

面分别碰触低速旋转的刀具，刚好碰上为止。对好后，按对刀OK确认，再输入

刀补，经过程序处理，即形成工