一种利用PLC替代CYTEC电主轴松抓刀控制模块的改造

一种利用 PLC替代 CYTEC电主轴松抓刀控制模块的改造

孙守泽，张赞

中车株洲电力机车有限公司机电分公司，湖南株洲 412000

摘要：原CYTEC高速电主轴的松抓刀控制模块无法实时监控松抓刀状态，只能通过记录松抓刀液压回路流量脉冲，来判断松抓刀状态，刀具是否真正“松”、“抓”到位没有反馈至机床PLC。随着机床的使用，主轴出现刀具不能松抓到位的问题。现通过设计新的控制方法以取代原松抓刀控制系统，解决电主轴刀具不能松抓到位的问题。

关键词：CYTEC电主轴；松抓刀控制；PLC；龙门铣床；

设备采用CYTEC高速电主轴，是一款同步伺服电机，最大转速12000r/min，最大功率36KW。其松抓刀动作机构由液压驱动，松刀压力75Bar，抓刀压力55Bar。主轴内部并未像其它品牌电主轴一样设计拉紧碟簧辅助拉紧刀具，而是通过主轴内部特殊的“机械锁”来实现刀具锁紧，防止刀柄松脱。

基本原理如下：液压系统推动主轴内部松抓刀油缸动作实现有刀夹紧、无刀夹紧、松刀三个状态。在三种状态下，油缸中的油腔体积不同，所以安装在释放回路上的测量涡轮随油液流动而转动，涡轮的旋转由传感器检测，检测到的脉冲数量具有唯一性，再通过CyConK11模块内部计算比较，输出对应刀具状态信号至机床PLC，实现松抓刀控制。该方式对刀具的松抓刀状态无法实现实时监控，仅记录当前松抓刀状态的结果。

1. 主轴松抓刀液压控制（刀具夹紧和放松）：

1.1液压站参数：

流量6-10L/min，压力最大120bar。

1.2根据三位四通电磁换向阀的位置，有三种状态:

（1）刀具放松

三位四通电磁换向阀处在左位，刀具夹紧管路直通油箱（背压1bar），刀具放松管路内的压力55-120bar。

（2）刀具夹紧

三位四通电磁换向阀处在右位，刀具夹紧管路内的压力55bar，刀具放松管路直通油箱（背压1bar）。

（3）其它

三位四通电磁换向阀处在中位，刀具夹紧管路和刀具放松管路之间互相联通，压力1bar，并直通油箱（背压1bar）。

注：液压油只是驱动松拉刀机构发生的动作，在松刀和拉刀动作完成后，PLC须根据CyConK11发出的松抓刀到位信号控制三位四通电磁换向阀处于中位。

1.3刀具位置检测

脉冲测量计必须安装在刀具释放回路上，它能够检测出管路中流过油液的流量（双向均可检测），并转化为数字脉冲信号输送给CyConK11；由CyConK11把数字脉冲信号转化成对应的松刀到位、抓刀到位和无刀拉紧三个刀具位置的开关量信号并输送给机床PLC，如图1所示。

1.4松抓刀动作控制流程：

（1）松刀控制流程

主轴松刀信号→K11模块端子X2.0→控制松刀电磁阀动作→电主轴内部松刀油缸动作，主轴松刀→流量测量计采集松刀脉冲→K11模块端子X8→K11内部分析判断→通过K11模块X4端子，输出“松刀”信号至机床PLC。

（2）抓刀控制流程

主轴抓刀信号→K11模块X2.1→控制抓刀电磁阀动作→电主轴内部抓刀油缸动作，主轴抓刀→流量测量计采集抓刀脉冲→K11模块端子X8→K11内部计算判断→通过K11模块X4端子，输出“抓刀”信号至机床PLC。

（3）报警控制

流量测量计采集松刀脉冲超过K11内部设置定值，通过K11模块X4端子，输出“报警”信号至机床PLC。

图1松抓刀控制原理图

2. 改造前状态

机床电主轴松抓刀控制就是通过CyConK11模块进行控制，由于模块老化，内部元器件状态不稳定，造成主轴内部松抓刀液压缸偶发性行程不到位的情况发生，“机械锁”不能有效锁紧刀柄，刀具未抓紧，但系统检测却显示正常。刀柄在加工过程中受力时，由于“机械锁”未锁紧刀柄，导致刀具松脱，尤其是高速旋转状态下，一旦刀柄松脱，将对人员、工件等带来重大安全隐患。由于该K11模块是CYTEC公司独家专利技术，模块采购成本高、周期长，维修难度较大，通过采用三菱PLC替换CyConK11模块改造方案。快速有效的解决该问题。

2. 实施过程

依据原有机床电气原理图，结合实际使用状态，完善机床的松抓刀控制逻辑，设计更新松抓刀电气原理图。图2所示。

图2电气原理图

（1）完善抓刀压力检测

原机床未设计主轴抓刀压力监控，仅通过控制电磁阀动作，系统无法精准判断抓刀压力值。本方案通过更换双通道压力传感器，实现对主轴抓刀压力的采集和处理，实现系统对抓刀压力的实时监控，系统通过抓到压力值的监控判断主轴转到状态，大大提高了系统的可靠性。双通道压力传感器安装如图3所示。

（2）采用电磁隔离技术

原机床直接通过K11模块控制松抓刀电磁阀动作，由于电磁阀为电感性负载，在电磁阀通断过程中产生感应电动势，会对K11模块的电子元件产生不良影响，甚至损坏K11模块。通过机床PLC控制中间继电器，中间继电器驱动松抓刀电磁阀，使三菱PLC作为脉冲计数计逻辑判断专用模块，实现电磁阀感应电动势与三菱PLC的电磁隔离，提高系统的稳定性。

（3）设计松抓刀程序

通过自主设计松抓刀脉冲判断计算程序，控制功能的逻辑与K11模块内部逻辑功能完全一致。部分PLC程序如图4所示。

图3更换双通道压力传感器图4PLC程序

四、结论

通过采用三菱PLC替代原CYTEC电主轴松抓刀控制模块，机床刀具夹不紧“飞刀”的问题彻底解决，松抓刀动作稳定可靠，通过不断的调试，控制程序更加完善。实现了自研替代技术备份，避免国外专利技术“卡脖子”问题。

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