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摘要：根据立式车床的工作特点以及实际工作需要，基于PLC设计了立式车床各系统，分析了立式车床的自动化控制过程。实践证明，基于PLC的立式车床控制系统提高了工件的加工精度，降低了企业加工成本。
关键词：立式车床;继电器控制;PLC
0 引言
PLC即可编程控制器，是一种以微电子技术作为理论基础的工业控制装置[1]。相较于传统的继电器控制方法，PLC控制有如下优点：（1）PLC没有连接触点，使用寿命较长，具有程序自我检测和诊断功能，保证工作的可靠性;（2）不同于传统的并行工作模式，采用串行接口，不会受到其他系统干扰;（3）不同于传统的硬接线方式，采用软接线方式，通过编写程序实现自动化控制和功能添加的目的;（4）PLC电路一般内置有计时芯片，通过晶体震荡产生脉冲进行计时，具有较为精确的自动计时方式，且不会受到外界影响。
1 立式车床整体设计方案
1.1 机械系统设计
本文设计的立式车床主要用于轴类、盘类等工件的自动加工，需要实现的功能包括主轴变速和制动、刀架自动转换、进刀方向和进刀速度自动调整、横梁自动控制等，对比人工加工方式，具有更高的加工精度，操作方法和保养流程较为简单。
主轴传动和控制设计。主轴传动动力来源有两种：一是采用交流主轴电动机，二是采用直流主轴电动机。交流主轴电动机的控制精度和自动控制能力均优于直流电机，但是在电机处于较低转速时会出现工作不稳定的问题。直流电动机具有良好的工作稳定性，但是控制精度不够理想。因此，直流伺服电动机是一个理想的选择，直流伺服电动机具有良好的机械线性控制功能，可以作为车床主轴传动的动力来源[2]。在主轴传动系统中加入编码器，可实现对主轴转速和转向的自动控制，同时，安装的同步齿形传动皮带，可实现对数控系统的反馈控制。
丝杠设计。常规的传动丝杠用于手动车床，在车床启动加工过程中，丝杠的稳定性对于工件加工的精度影响较大，所以传动丝杠对于数控车床并不适用。本文设计丝杠时，采用滚珠结构，滚珠丝杠具有极佳的耐磨损性能，工作可靠性高，使用寿命长[3]，在车床启动过程中不会发生较大的上下振动，加工过程平稳。
1.2 电气系统设计
电气系统设计需要实现的功能包括对车床各种电路元件的连通和断开控制、电路的过载保护、电动机的智能控制等。电气系统需要控制的电动机包括液压泵电动机、主轴电动机、垂直刀架位移电动机、侧刀架位移电动机、横梁位移电动机。
主控制电路设计。主控制电路是实现车床自动化控制的重要部分，主控制电路元件主要包括熔断器、电路开关、交流接触器、低压断路器、继电器等。主控制电路实现对各种电动机、冷却泵、冷却风扇、变压器等的过载保护和通断控制。
能耗制动电路设计[4]。这是本文电气系统设计的一大特色，不采用直接断开电动机电路的方法进行制动，直接断开电路，电动机会由于转动惯性继续转动一段时间，这对于工件的加工精度具有较大影响。能耗制动是通过将交流电切换到直流电，使电动机反转，利用惯性产生制动力矩实现对电动机的精确制动。能耗制动电路的设计，可以使电动机即开即停，从而提高工件加工精度。
1.3 控制系统设计
根据需要，立式车床将控制系统分成4个模块：编程模块、编译模块、执行模块、通信模块。编程模块具有图形库管理、梯形图编辑、指令语句编辑功能;编译模块具有指令表管理以及梯形图编译功能;执行模块具有程序指令的检查执行以及数据的输出功能;通信模块具有编程结果的读取以及数据输出的控制功能。
2 自动化控制过程分析
2.1 控制流程分析
在立式车床开始启动后，会优先启动横梁控制系统。首先，横梁进行上下移动调整放置工件的位置，此时横梁的夹紧机构放松，当工件摆放位置正确时，夹紧机构固定工件并进行下一步操作，开始刀架的控制流程。刀架控制流程中，先选择使用垂直刀架或者侧刀架，选择完毕后，刀架执行快速进刀调整工作，调整刀具与工件的相对位置，确定进刀速度和进刀方向。最后进入主轴的控制流程，此过程中先对主轴变速进行测试，测试成功后对主轴制动进行检查，并对主轴点动进行调整，之后就可以进行工件加工工作。
2.2 PLC硬件电路设计
2.2.1 能耗制动控制电路
能耗制动控制电路包括的电子元件有主接触器KM1、能耗制动接触器KM2、连通开关K1/K2、时间继电器KT、热继电器FR、电动机M。能耗制动控制电路的控制过程如下：首先连通开关K1接通，主接触器KM1线圈通电，电流经过热继电器FR，电机进入正常工作状态。断开连通开关K2，主接触器KM1线圈断电，主电路切断，能耗制动接触器KM2和时间继电器KT进入工作状态，此时电动机是直流供电状态并且转速较低，经过极短的时间电动机停止工作，断开能耗制动电路，能耗制动接触器和时间继电器均停止工作。
2.2.2 启动控制电路
本文设计的启动控制电路是星三角控制电路，是一种低压启动控制电路，这种启动方式可以降低设备漏电风险。为了实现对车床的低电压启动控制，需要选择的电子元件包括启动开关QF、熔断器、接触器KM、三角形接觸器KM1、星形接触器KM2、驱动电动机M、隔离开关K1/K2。启动控制电路图如图1所示，连接开关QF，KM和KM△线圈通电，KM△-1和KM△-2闭合，电动机线圈为星形接法（星形接法是指电机绕组三相末端接在一起），KM△-3断开，KM△和KMY处于互锁状态，KM-1闭合互锁装置，KM-2闭合，电机线圈从星形接法开始转变成三角形接法，KM-3闭合电机开始运转，此时电动机依然为星形连接状态。时间继电器KT的延时时间到达后触点开关断开，KM1线圈断电，KM△-1和KM△-2断开，KM△-3闭合，此时KMY线圈通电，KMY-1断开，时间继电器线圈断电，KMY-2断开，保证KM△处于自锁状态，KMY-3闭合，电动机线圈为三角形连接状态，电动机需要停止工作时，按下隔离开关SB2才能使所有线圈断电。
3 结语
本文根据立式车床的工作特点以及实际工作需要，设计了全新的PLC控制电路，取代传统的继电器控制电路，不仅提高了工件的加工质量和加工效率，而且避免了加工过程中出现人为误差，该控制方式具有广阔的应用前景。
[参考文献]
[1] 皮坤，刘洪具，王合宽.基于PLC的冶金起重机安全远程集控管理系统[J].通讯世界，2020，27（7）：191-192.
[2] 张小红，曹英健.航天电液伺服系统直流无刷电机控制驱动策略研究[J].液压气动与密封，2020，40（3）：27-31.
[3] 李帅，冯春花，白国振，等.滚珠丝杆伺服进给系统的联合仿真与试验[J].农业装备与车辆工程，2020，58（6）：12-15.
[4] 任相强.伺服驱动器能耗制动热过载保护方法[J].国外电子测量技术，2018，37（8）：90-94.
收稿日期：2020-08-21
作者简介：黄爽（1976—），女，浙江台州人，硕士，讲师，研究方向：机电设计及控制。
关键词：立式车床;继电器控制;PLC
0 引言
PLC即可编程控制器，是一种以微电子技术作为理论基础的工业控制装置[1]。相较于传统的继电器控制方法，PLC控制有如下优点：（1）PLC没有连接触点，使用寿命较长，具有程序自我检测和诊断功能，保证工作的可靠性;（2）不同于传统的并行工作模式，采用串行接口，不会受到其他系统干扰;（3）不同于传统的硬接线方式，采用软接线方式，通过编写程序实现自动化控制和功能添加的目的;（4）PLC电路一般内置有计时芯片，通过晶体震荡产生脉冲进行计时，具有较为精确的自动计时方式，且不会受到外界影响。
1 立式车床整体设计方案
1.1 机械系统设计
本文设计的立式车床主要用于轴类、盘类等工件的自动加工，需要实现的功能包括主轴变速和制动、刀架自动转换、进刀方向和进刀速度自动调整、横梁自动控制等，对比人工加工方式，具有更高的加工精度，操作方法和保养流程较为简单。
主轴传动和控制设计。主轴传动动力来源有两种：一是采用交流主轴电动机，二是采用直流主轴电动机。交流主轴电动机的控制精度和自动控制能力均优于直流电机，但是在电机处于较低转速时会出现工作不稳定的问题。直流电动机具有良好的工作稳定性，但是控制精度不够理想。因此，直流伺服电动机是一个理想的选择，直流伺服电动机具有良好的机械线性控制功能，可以作为车床主轴传动的动力来源[2]。在主轴传动系统中加入编码器，可实现对主轴转速和转向的自动控制，同时，安装的同步齿形传动皮带，可实现对数控系统的反馈控制。
丝杠设计。常规的传动丝杠用于手动车床，在车床启动加工过程中，丝杠的稳定性对于工件加工的精度影响较大，所以传动丝杠对于数控车床并不适用。本文设计丝杠时，采用滚珠结构，滚珠丝杠具有极佳的耐磨损性能，工作可靠性高，使用寿命长[3]，在车床启动过程中不会发生较大的上下振动，加工过程平稳。
1.2 电气系统设计
电气系统设计需要实现的功能包括对车床各种电路元件的连通和断开控制、电路的过载保护、电动机的智能控制等。电气系统需要控制的电动机包括液压泵电动机、主轴电动机、垂直刀架位移电动机、侧刀架位移电动机、横梁位移电动机。
主控制电路设计。主控制电路是实现车床自动化控制的重要部分，主控制电路元件主要包括熔断器、电路开关、交流接触器、低压断路器、继电器等。主控制电路实现对各种电动机、冷却泵、冷却风扇、变压器等的过载保护和通断控制。
能耗制动电路设计[4]。这是本文电气系统设计的一大特色，不采用直接断开电动机电路的方法进行制动，直接断开电路，电动机会由于转动惯性继续转动一段时间，这对于工件的加工精度具有较大影响。能耗制动是通过将交流电切换到直流电，使电动机反转，利用惯性产生制动力矩实现对电动机的精确制动。能耗制动电路的设计，可以使电动机即开即停，从而提高工件加工精度。
1.3 控制系统设计
根据需要，立式车床将控制系统分成4个模块：编程模块、编译模块、执行模块、通信模块。编程模块具有图形库管理、梯形图编辑、指令语句编辑功能;编译模块具有指令表管理以及梯形图编译功能;执行模块具有程序指令的检查执行以及数据的输出功能;通信模块具有编程结果的读取以及数据输出的控制功能。
2 自动化控制过程分析
2.1 控制流程分析
在立式车床开始启动后，会优先启动横梁控制系统。首先，横梁进行上下移动调整放置工件的位置，此时横梁的夹紧机构放松，当工件摆放位置正确时，夹紧机构固定工件并进行下一步操作，开始刀架的控制流程。刀架控制流程中，先选择使用垂直刀架或者侧刀架，选择完毕后，刀架执行快速进刀调整工作，调整刀具与工件的相对位置，确定进刀速度和进刀方向。最后进入主轴的控制流程，此过程中先对主轴变速进行测试，测试成功后对主轴制动进行检查，并对主轴点动进行调整，之后就可以进行工件加工工作。
2.2 PLC硬件电路设计
2.2.1 能耗制动控制电路
能耗制动控制电路包括的电子元件有主接触器KM1、能耗制动接触器KM2、连通开关K1/K2、时间继电器KT、热继电器FR、电动机M。能耗制动控制电路的控制过程如下：首先连通开关K1接通，主接触器KM1线圈通电，电流经过热继电器FR，电机进入正常工作状态。断开连通开关K2，主接触器KM1线圈断电，主电路切断，能耗制动接触器KM2和时间继电器KT进入工作状态，此时电动机是直流供电状态并且转速较低，经过极短的时间电动机停止工作，断开能耗制动电路，能耗制动接触器和时间继电器均停止工作。
2.2.2 启动控制电路
本文设计的启动控制电路是星三角控制电路，是一种低压启动控制电路，这种启动方式可以降低设备漏电风险。为了实现对车床的低电压启动控制，需要选择的电子元件包括启动开关QF、熔断器、接触器KM、三角形接觸器KM1、星形接触器KM2、驱动电动机M、隔离开关K1/K2。启动控制电路图如图1所示，连接开关QF，KM和KM△线圈通电，KM△-1和KM△-2闭合，电动机线圈为星形接法（星形接法是指电机绕组三相末端接在一起），KM△-3断开，KM△和KMY处于互锁状态，KM-1闭合互锁装置，KM-2闭合，电机线圈从星形接法开始转变成三角形接法，KM-3闭合电机开始运转，此时电动机依然为星形连接状态。时间继电器KT的延时时间到达后触点开关断开，KM1线圈断电，KM△-1和KM△-2断开，KM△-3闭合，此时KMY线圈通电，KMY-1断开，时间继电器线圈断电，KMY-2断开，保证KM△处于自锁状态，KMY-3闭合，电动机线圈为三角形连接状态，电动机需要停止工作时，按下隔离开关SB2才能使所有线圈断电。
3 结语
本文根据立式车床的工作特点以及实际工作需要，设计了全新的PLC控制电路，取代传统的继电器控制电路，不仅提高了工件的加工质量和加工效率，而且避免了加工过程中出现人为误差，该控制方式具有广阔的应用前景。
[参考文献]
[1] 皮坤，刘洪具，王合宽.基于PLC的冶金起重机安全远程集控管理系统[J].通讯世界，2020，27（7）：191-192.
[2] 张小红，曹英健.航天电液伺服系统直流无刷电机控制驱动策略研究[J].液压气动与密封，2020，40（3）：27-31.
[3] 李帅，冯春花，白国振，等.滚珠丝杆伺服进给系统的联合仿真与试验[J].农业装备与车辆工程，2020，58（6）：12-15.
[4] 任相强.伺服驱动器能耗制动热过载保护方法[J].国外电子测量技术，2018，37（8）：90-94.
收稿日期：2020-08-21
作者简介：黄爽（1976—），女，浙江台州人，硕士，讲师，研究方向：机电设计及控制。