項目七攻絲機電氣控制系統安裝與調試2022年5月鄧景新1、了解攻絲機的工作原理和常規電氣裝調；2、能PLC直接控制變頻器和步進驅動器系統連接3、能PLC直接控制變頻器和步進驅動器系統編程調試觀察與思考

立式攻絲機這是一臺攻絲機，可以通過觸摸屏改變變頻器控制的主軸速度，設定進給速度，同時可以通過步進電機控制進給量和進給位置。攻絲機廣泛應用在機床工具、五金制品、金屬管、齒輪、閥門及緊固件加工等，多軸攻絲機還可以完成多個面的同時加工，提高加工精度和節約人力資源。攻絲機一般包含承載構件、驅動裝置、定位裝置、調速裝置、加緊裝置和控制系統，人機鍵面等。一、項目要求

現有機床廠攻絲機，控制面板上有三個按鈕，分別是啟動、停止、急停、和觸摸屏，變頻器控制主軸速度，步進驅動器設定進給速度，同時控制進給量和進給位置，觸摸屏監控設備運行狀態。攻絲操作要求鉆頭在原點位限位開關SQ2壓合，按下觸摸屏啟動按鈕，主軸旋轉，機床按工藝要求動作，每工藝完成一項工藝，絲錐回到原點壓合SQ2時，主軸停止旋轉，這時自動換上下一根絲錐，進入下一工藝，攻絲機依次進入后面的工藝，完成所有工藝，攻絲機回到原點停止，換下工件再按下觸摸屏啟動，重復上述動作。為了便于調試和維修，在該系統中增加了主軸手動旋轉和絲錐手動回位。通過觸摸屏調試狀態手動安下停止按鈕，自動工作停止，絲錐回到原位，當絲錐在原位時候通過觸摸屏按下主軸手動旋轉按鈕，主軸開始旋轉。

二、項目準備

步進電機可以做到精確的位置定位，變頻器可以方便的改變頻率和電壓，改變輸出力矩。攻絲機在工作中定位是影響產品質量的決定因素，選用步進電機進行驅動，由步進控制器進行設置控制精度；攻絲機在工作中的切削力矩和加工效率由主軸電機控制，選用變頻器進行驅動，可以方便的進行力矩和速度的設定。

三相步進電機的位置和速度控制

利用按鈕X1或觸摸屏M4設定步進控制器位置值D2，在速度固定時，只改變DPLSY指令的數據存儲器D52位置輸出值，就可以改變輸出位置的控制要求。

圖4-50梯形圖程序利用按鈕X1或觸摸屏M4設定步進控制器位置值D0，當距離不變時，只改變DPLSY指令的數據存儲器D50速度輸出值，就可以改變輸出速度的控制要求。圖4-51梯形圖程序2變頻器的力矩和速度設置通過觸摸屏D4設定變頻器的速度值，停止按鈕X2強制改變D4值停止輸出，通過觸摸屏M10，M11設定變頻器的方向值。利用變頻器通訊指令，當按鈕X1或觸摸屏M16接通時，將PLC中設定變頻器速度值D4和方向D65傳輸到變頻器中。圖4-52梯形圖程序通過觸摸屏D5設定變頻器的力矩值，利用變頻器通訊指令，當按鈕X1或觸摸屏M16接通時，將PLC中設定變頻器力矩值D5傳輸到變頻器中。圖4-53梯形圖程序3、三菱變頻器的故障處理

以下就三菱變頻器在市場上使用最廣的兩款型號（E500系列和A500系列）的一些新的故障及相應處理辦法做一些簡單介紹:

（1）OC1、OC3故障

在以前筆者介紹三菱變頻器出現OC(過電流故障)很多時候會是以下幾方面原因造成的(現以A500系列變頻器為例)。

①參數設置問題不當引起的，如時間設置過短；

②外部因素引起的，如電機繞組短路，包括(相間短路，對地短路等)；

③變頻器硬件故障，如霍爾傳感器損壞，IGBT模塊損壞等。

以上這些檢測點只要有任何一處有問題都可能會報警，無法正常運行。在以前我們介紹的檢測手段無法解決問題的情況下，要特別注意是否正常，檢測方向主要包括剛才介紹的三菱驅動電路的幾個組成部分。

（2）UVT故障

UVT為欠壓故障，相信很多客戶在使用中還是會碰到這樣的問題，我們常見的欠壓檢測點都是直流母線側的電壓，經大阻值電阻分壓后采樣一個低電壓值，與標準電壓值比較后輸出電壓正常信號，過壓信號或是欠壓信號。

（3）E6，E7故障

E6，E7故障對于廣大用戶來說一定不陌生，這是一個比較常見的三菱變頻器典型故障，當然損壞原因也是多方面的。

集成電路1302H02損壞。這是一塊集成了驅動波形轉換，以及多路檢測信號于一體的IC集成電路，并有多路信號和CPU板關聯，在很多情況下，此集成電路的任何一路信號出現問題都有可能引起E6，E7報警；

（4）開關電源損壞

開關電源損壞也是A500系列變頻器的常見故障，排除掉以前我們經常提到的脈沖變壓器損壞，開關場效應管損壞，啟振電阻損壞，整流兩極管損壞等一些因素。

（5）功率模塊損壞

功率模塊的損壞，主要出現在E500系列變頻器。對于小功率的變頻器，由于是集成了功率器件，檢測電路于一體的智能模塊，當模塊損壞時只能更換，但維修成本較高，已無維修價值。而對于5.5KW，7.5KW的E500系列變頻器，選用了7MBR系列的PIM功率模塊，更換的成本相對較低，對此類變頻器的損壞可以做一些維修。

三、項目實施

本項目在亞龍YL-158GA1電氣控制技術實訓考核裝置上實施，全部設備選型及接線以實訓柜體為參考，模擬攻絲機的工作過程。

1、系統方案設計

攻絲機的控制系統采用觸摸屏和按鈕相結合，通過PLC同時控制步進電機和變頻電機，形成PLC和觸摸屏控制攻絲機系統框圖如圖4-54。

圖4-54攻絲機系統框圖2、加工工藝要求自動攻絲機加工實心毛坯件，加工過程由四把刀具分別按四個工步要求，依次進行切削，其加工如表4-19所示。加工時，工件由方料盤上的夾頭夾緊，變頻器驅動主軸電機作旋轉運動，拖板載這絲錐作縱向進給運動，其進給速度由步進電機控制。每完成一個工藝攻絲回到原點，換上一根絲錐進行下一個工藝工作。自動攻絲機具體工作過程：鉆頭在原點位限位開關SQ2壓合，按下觸摸屏啟動按鈕，主軸旋轉，機床按工藝一動作；工藝一完成，絲錐回到原點壓合SQ2時，主軸停止旋轉，這時自動換上下一根絲錐，進入工藝二；進入工藝二后，主軸開始旋轉，機床按工藝二動作，工藝二完成后按工藝三動作。攻絲機依次進入后面的工藝，完成工藝四后，攻絲機回到原點停止，換下工件再按下觸摸屏啟動，重復上述動作。為了便于調試和維修，在該系統中增加了主軸手動旋轉和絲錐手動回位。通過觸摸屏調試狀態手動安下停止按鈕，自動工作停止，絲錐回到原位，當絲錐在原位時候通過觸摸屏按下主軸手動旋轉按鈕，主軸開始旋轉。

3、電氣設計與安裝

（1）I/O地址分配

該控制系統中共有觸摸屏和按鈕兩種輸入信號，有觸摸屏和按鈕兩種輸出信號，選用FX-3U型PLC和MCGS觸摸屏來實現該任務。根據控制要求列出PLC輸入輸出表4-20。

表4-20I/O地址分配表（2）電氣原理圖

在亞龍YL-158GA1電氣控制技術實訓考核裝置上，連接變頻器電源，注意三相電源接到變頻器的R、S、T端，否則將燒毀變頻器，選用FX3U-32MT晶體管輸出PLC，注意PLC型號承受的電壓等級，設計自動攻絲機控制系統硬件原理圖如圖4-55所示。圖4-55自動攻絲機控制系統硬件原理圖

3、軟件組態設計

（1）HMI設計

采用MCGS軟件設計觸摸屏畫面。畫面包括主界面、調試界面和加工界面。主界面設置設備的總貌，包括觸摸屏設備與PLC設備的通訊狀態，攻絲機的工作狀態，以及進入調試界面和加工界面的切換選擇。調試界面設置步進電機、變頻器及夾具的工作動態和參數設定。加工界面設置生產參數、加工工藝和加工方式選擇。

MCGS軟件觸摸屏畫面設計過程。按鈕組態，指示燈組態，數字輸入組態，對應控觸摸屏和按鈕的關系，進行I/O分配。HMI界面設置文本框和按鈕框，文本框顯示項目內容，按鈕框選擇開關屬性，本系統中，觸摸屏的主要功能是輸出指令和系統監控，設計攻絲機調試與加工界面根據動作過程，通過觸摸屏設置參數，變頻電機和步進電機每完成一次工進、快進、工退、快退和循環，攻絲機進入下一個工藝，可以通過觸摸屏調試界面調試好變頻器和步進電機，調試完成進入加工界面，設置加工件數和相關的工藝參數。測試主界面如圖4-56所示，調試界面如圖4-57所示，加工界面如圖4-58所示，畫面之間進行切換。

圖4-56主界面圖4-57調試界面圖4-58加工界面（2）觸摸屏上所有主令信號、寄存器等對應的PLC軟元件如表4-21.

表4-21觸摸屏與PLC關聯元件（2）PLC程序設計

由于工程項目比較大，程序設計在組織框架上首先進行分配三段程序，分別是主界面程序、調試界面程序和加工界面程序。

設備的總貌，包括觸摸屏設備與PLC設備的通訊狀態，攻絲機的工作狀態，以及進入調試界面和加工界面的切換選擇。程序設計中將通訊狀態M8000輸出顯示，攻絲機工作狀態由“單周期”輸出標志M31和“全自動”輸出標志M32，M1顯示正常，程序如下。

圖4-59梯形圖程序

調試界面設置步進電機、變頻器及夾具的工作動態和參數設定。步進電機控制程序，通觸摸屏M8，M6設置方向，M4啟動步進電機，并且按照觸摸屏設置數據存儲器D0-D3設定值速度和距離進行控制。

圖4-60梯形圖程序

圖4-60梯形圖程序變頻器控制程序，通觸摸屏D4，D5輸入設定值，PLC中將頻率值儲存在D8262，控制觸摸屏M10，M11實現正反轉，M16復位控制。

圖4-61梯形圖程序

加工界面控制程序：根據動作過程，通過觸摸屏設置參數，變頻電機和步進電機每完成一次工進、快進、工退、快退和循環，攻絲機進入下一個工藝，可以通過觸摸屏測試界面調試好變頻器和步進電機，調試完成進入加工界面，設置加工件數和相關的工藝參數，但變頻電機和步進電機的參數需要從測試界面輸入，如表4-22所示。

表4-22步進驅動器和變頻器參數

表4-22步進驅動器和變頻器參數加工程序：需要將測試界面輸入的表4-22數據輸入到加工程序中，該轉換方法在主程序中，這里僅介紹典型的往返運動程序和原點回歸程序。

往返運動程序：緊急停止X0時M8145禁止Y0脈沖輸出，啟動X1步進電機開始工作，按照D200設定值運動，脈沖發送結束，標志為M8029設置反向，進入反向運動；下一次脈沖結束M8029設置正向循環運動，通過減法指令程序設置運動方向。

圖4-62梯形圖程序

原點回歸程序。三菱PLC特殊繼電器M8147監控的是Y0脈沖輸出，M8148監控的才是Y1脈沖輸出。特殊繼電器M8147和M8148的作用是當Y0和Y1有脈沖輸出時，M8147和M8148置1，沒有脈沖輸出時置0。REF輸入輸出刷新指令：此指令的功能是在某程序段處理開始時立即讀入最新輸入狀態信息或用于某一操作結束后立即輸出其結果。REF指令只有16位運算，占用5個程序步，REF屬于高速處理指令。

按鈕觸摸屏復位M100，輸出脈沖開始，標志位M8147置1，實現自鎖脈沖輸出，到達原點X3時停止運行，復位M110標志完成。

圖4-63梯形圖程序

圖4-63梯形圖程序4、整體調試

（1）檢查PLC控制器輸入輸出元件與設備的完好狀態。包括控制面板、觸摸屏、檢測開關、變頻器和伺服控制器。

（2）調試步驟

首先調試觸摸屏設備與PLC設備的通訊狀態，攻絲機的工作狀態，以及進入調試界面和加工界面的切換選擇。然后調試界面設置步進電機、變頻器及夾具的工作動態和參數設定。最后加工界面設置生產參數、加工工藝和加工方式選擇。

五、項目拓展

上面講述了單軸的控制，對于復雜的雙軸、多軸系統控制，需要在控制之前進行一些軌跡分析運算。

1、軌跡控制分析

軌跡方程法的前提是對定位進行控制，對象在平面上的運動軌跡必須有確定的參數方程表達式，方程是曲線上的任意一點（x,y）都是某個變量的函數。圖4-64為平面坐標系的直線運動。物體從當前點A沿直線位移至目標位置B，設直線在X軸方向上的位移距離為S1，在Y軸方向上的位移為S2。X軸的運動速度為V1，Y軸的運動速度為V2，為保證運動軌跡是直線AB，X軸和Y軸運行同時開始同時結束，運行時間一樣的。圖4-64直線軌跡分析與運算公式

圖4-64直線軌跡分析與運算公式2、軌跡控制項目

有一臺獨立雙軸（X軸和Y軸）定位控制，控制要求如下。

控制要求系統能單獨進行雙軸的回原點及點動（JOG）正/反轉操作。按“原點回歸”后按照先X軸后Y軸的順序進行原點回歸，原點回歸燈亮。

按下原點回歸按鈕系統可以實現一下工作循環，工作循環如圖4-65所示。

X，Y軸運行到絕對位置（0，0）處停止。

暫停1S后，(X，Y