【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電氣控制在機(jī)電一體化技術(shù)中起主導(dǎo)作用，其實(shí)質(zhì)就是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)其基本功能有如下特點(diǎn)：機(jī)電設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)基本上都具有輸入指令，顯示工作狀態(tài)的人機(jī)界面，復(fù)雜的控制系統(tǒng)還具有程序調(diào)用、編輯、調(diào)試等功能，以便于操作者方便、快捷、靈活的控制機(jī)電設(shè)備，按設(shè)計(jì)意圖讓機(jī)電設(shè)備發(fā)揮更大作用。因此，好的機(jī)電控制系統(tǒng)都應(yīng)具備方便，簡(jiǎn)潔親和的人機(jī)界面。機(jī)電設(shè)備的電氣部件主要由被控制對(duì)象的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，接口包括機(jī)械和電氣的物理連接。接口按功能可分為主要完成信息連接，傳遞的通信接口和獨(dú)立完成信息處理的智能接口，按信號(hào)的性質(zhì)分為數(shù)字量接口和模擬量接口，按通信方式分為串行接口和并行接口。控制系統(tǒng)必須提供足夠的接口，以滿足被控機(jī)電設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件，檢測(cè)部件與系統(tǒng)的連接要求。、轉(zhuǎn)換及控制功能。電動(dòng)刀架為四工位，每個(gè)刀位對(duì)應(yīng)一個(gè)刀位到位信號(hào)，當(dāng)?shù)都苓\(yùn)動(dòng)經(jīng)過工位時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使得電機(jī)反轉(zhuǎn)，對(duì)銷反靠，雙端齒精定位，螺紋升降夾緊，電機(jī)運(yùn)動(dòng)停止。數(shù)控刀架轉(zhuǎn)到工位時(shí)，由安裝在刀架內(nèi)部的霍爾傳感器檢測(cè)刀架到位信號(hào)，刀架信號(hào)輸出端由高電平轉(zhuǎn)到低電平，由信號(hào)采集電路對(duì)這一瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行采集和保持，輸出相對(duì)應(yīng)的工位信號(hào)（高電平信號(hào)），相應(yīng)的中間繼電器線圈得電工作，使得刀架反轉(zhuǎn)夾緊。數(shù)控機(jī)床刀架是由機(jī)床PLC來進(jìn)行控制，對(duì)于普通的四工位刀架來說，控制比較簡(jiǎn)單，一般用于普通的車床。我們分析車床刀架的控制原理其實(shí)就是指刀架的整個(gè)換刀過程，刀架的換刀過程其實(shí)是通過PLC對(duì)控制刀架的所有I/O信號(hào)進(jìn)行邏輯處理及計(jì)算。實(shí)現(xiàn)刀架的順序控制。另外為了保證換刀能夠正確進(jìn)行，系統(tǒng)一般還要設(shè)置一些相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來對(duì)換刀過程進(jìn)行調(diào)整。下面我們分析PLC控制下的換刀過程。在分析之前，我們首先了解刀架 控制的電氣部分。刀架電氣控制部分如圖所示。圖中的a是刀架控制的強(qiáng)電部分，主要是控制刀架電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，來控制刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；圖b是刀架控制的交流控制回路，主要是控制兩個(gè)交流接觸器的導(dǎo)通和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)a中的強(qiáng)電控制；圖c部分是刀架控制的繼電器控制回路及PLC的輸入及輸出回路，整個(gè)過程的控制最終是由這個(gè)模塊來完成的。 圖a 強(qiáng)電電路 圖b 接觸器電路圖c PLC的輸入輸出圖中各元器件的名稱序號(hào)字母名稱1M電動(dòng)機(jī)2PE接地線也就是零細(xì)線3QS4空氣開關(guān)4KMKM6交流接觸器5KAKA3支流繼電器6RC阻容吸收裝置7PMC計(jì)算機(jī)可編程控制器8HL2指示燈9SQ1~SQ4微動(dòng)開關(guān)圖中各器件的作用如下：序號(hào)名稱含義1M刀架電動(dòng)機(jī)2QS4刀架電動(dòng)機(jī)帶過載保護(hù)的電源空開3KMKM6線圈刀架電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制交流接觸器4KA4由急停控制的中間繼電器5KAKA3刀架電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制中間繼電器6SQ1~SQ4刀位檢測(cè)霍爾元件開關(guān)7PMC控制刀架系統(tǒng)8U61單相滅弧器9RC阻容吸收裝置起到過載保護(hù)作用10KMKM6常閉對(duì)刀架正反轉(zhuǎn)起到互鎖作用11KAKA3常開對(duì)刀架正反轉(zhuǎn)起到起到自保作用12COM接地線自動(dòng)刀架控制涉及到的I/O信號(hào)如下：PLC輸入信號(hào)：~：1~4號(hào)刀到位信號(hào)輸入；PLC輸出信號(hào)：：刀架正轉(zhuǎn)繼電器控制輸出；：刀架反轉(zhuǎn)繼電器控制輸出。第三章 霍爾元件所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍爾效應(yīng)。FT39FJ12FFT17FT19FT37圖31 霍爾元件家族利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器?；魻栯娢徊頤H的基本關(guān)系為UH=RHIB/d （1）RH=1/nq（金屬） （2）式中 RH——霍爾系數(shù)：n——載流子濃度或自由電子濃度；q——電子電量；I——通過的電流；B——垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度；d——導(dǎo)體的厚度。對(duì)于半導(dǎo)體和鐵磁金屬，霍爾系數(shù)表達(dá)式與式（2）不同，此處從略。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測(cè)量出磁場(chǎng)，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。若把霍爾元件置于電場(chǎng)強(qiáng)度為E、磁場(chǎng)強(qiáng)度為H的電磁場(chǎng)中，則在該元件中將產(chǎn)生電流I，元件上同時(shí)產(chǎn)生的霍爾電位差與電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，如果再測(cè)出該電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，則電磁場(chǎng)的功率密度瞬時(shí)值P可由P=EH確定。利用這種方法可以構(gòu)成霍爾功率傳感器。如果把霍爾元件集成的開關(guān)按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)物體上的永磁體經(jīng)過它時(shí)，可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)列可以傳感出該運(yùn)動(dòng)物體的位移。若測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運(yùn)動(dòng)速度?；魻栐?yīng)用霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體?；魻栂禂?shù)（又稱霍爾常數(shù)）RH在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍爾電勢(shì)差UH與激勵(lì)電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比，與霍爾片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH稱為霍爾系數(shù)，它表示霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。 另RH=μ*ρ即霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積?；魻栰`敏度KH（又稱霍爾乘積靈敏度）霍爾靈敏度與霍爾系數(shù)成正比而與霍爾片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通?？梢员碚骰魻柍?shù)?；魻栴~定激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流?；魻栕畲笤试S激勵(lì)電流 以霍爾元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。霍爾輸入電阻 霍爾激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻。 霍爾輸出電阻霍爾輸出電極間的電阻值稱為輸出電阻。 霍爾元件的電阻溫度系數(shù) 在不施加磁場(chǎng)的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，電阻的相對(duì)變化率，用α表示，單位為%/℃。 霍爾不等位電勢(shì)（又稱霍爾偏移零點(diǎn)） 在沒有外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，在輸出端空載測(cè)得的霍爾電勢(shì)差稱為不等位電勢(shì)?；魻栞敵鲭妷?在外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，在輸出端空載測(cè)得的霍爾電勢(shì)差稱為霍爾輸出電壓。 霍爾電壓輸出比率霍爾不等位電勢(shì)與霍爾輸出電勢(shì)的比率 1霍爾寄生直流電勢(shì)在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱寄生直流電勢(shì)。 1霍爾不等位電勢(shì)率在沒有外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，不等位電勢(shì)的相對(duì)變化率。 1霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，不等位電勢(shì)的相對(duì)變化率。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。1熱阻Rth 霍爾元件工作時(shí)功耗每增加1W，霍爾元件升高的溫度值稱為它的熱阻，它反映了元件散熱的難易程度，單位為： 攝氏度/w 圖32數(shù)控車床刀架上1~4霍爾元件來檢測(cè)刀位?；魻栐?個(gè)接口，3接電源，2輸出。當(dāng)磁場(chǎng)（一般是永久磁鋼）靠近霍爾元件時(shí)，2輸出高電平；而沒有磁場(chǎng)靠近時(shí)，2輸出低電平。第四章 數(shù)控車床刀架的PLC控制 可編程邏輯控制器（PLC）的作用數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)控制由CNC和PLC共同完成，其中CNC負(fù)責(zé)完成與數(shù)字運(yùn)算和管理有關(guān)的功能，如編輯加工程序、插補(bǔ)運(yùn)算、譯碼、位置伺服控制等；PLC負(fù)責(zé)完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)的各種動(dòng)作。PLC接受CNC控制代碼M（輔助功能）、S(主軸轉(zhuǎn)速)、T（選刀、換刀）等順序動(dòng)作信息，對(duì)其進(jìn)行譯碼后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輔助裝置完成一系列開關(guān)動(dòng)作，如裝夾工件、更換刀具和開關(guān)切削液等。PLC是一種專門應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，以微處理器為基礎(chǔ)的通用型自動(dòng)控制裝置，這種裝置的主要作用是解決工業(yè)設(shè)備邏輯關(guān)系與開關(guān)量控制，故稱為可編程邏輯控制器PLC（prammable logic controller）。在數(shù)控機(jī)床上使用PLC取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，使得數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)更加緊湊，功能更豐富，響應(yīng)速度更快，工作更可能。 可編程邏輯控制器（PLC）的類型應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的PLC分兩類，一類是內(nèi)裝型（或集成型）PLC，另一類是外裝型(或獨(dú)立型)PLC。（1）內(nèi)裝型PLC內(nèi)裝型PLC是CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制，而將CNC與PLC綜合設(shè)計(jì)在一起的PLC，它是CNC系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，只可專門用于某種CNC系統(tǒng)。PLC與CNC之間的信號(hào)傳送在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)。PLC與機(jī)床則通過I/O接口電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖。內(nèi)裝型PLC具有如下特點(diǎn)：圖41 內(nèi)裝型PLCA 內(nèi)裝型PLC是CNC系統(tǒng)帶有的一種基本功能。B 內(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)是根據(jù)CNC系統(tǒng)的性能、規(guī)格等確定的，具有針對(duì)性強(qiáng)，技術(shù)指標(biāo)較合理、實(shí)用等特點(diǎn)，實(shí)用于單臺(tái)數(shù)控機(jī)床及加工中心等場(chǎng)合。C 內(nèi)裝型PLC可獨(dú)立使用一個(gè)CPU，也可與CNC共用CPU。內(nèi)裝型PLC一般單獨(dú)制成一塊電路板，插裝到CNC系統(tǒng)主機(jī)上，使用CNC本身的I/O接口完成輸入輸出功能。D 內(nèi)裝型PLC擴(kuò)大了CNC系統(tǒng)內(nèi)部直接處理數(shù)據(jù)的能力，可以使用梯形圖進(jìn)行編輯和傳送復(fù)雜的控制功能。（2）外裝型PLC外裝型PLC獨(dú)立于CNC系統(tǒng)，具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨(dú)立完成規(guī)定控制任務(wù)的裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：獨(dú)立型PLC具有如下特點(diǎn)：圖42 外裝型PLCA 獨(dú)立型PLC是通用型PL