PLC在組合機床的控制應(yīng)用探討

葉曉光

（首都航天機械公司 計量理化所，北京 100076）

0 引言

組合機床采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標準化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計和制造周期。因此，組合機床兼有低成本和高效率的優(yōu)點，在大批量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動生產(chǎn)線。

傳統(tǒng)的組合機床多采用繼電器邏輯線路進行加工過程的自動控制，在使用中常會出現(xiàn)各種故障，使維修時間增加，影響生產(chǎn)效率。滿足不了現(xiàn)代產(chǎn)品更新加速的需求，而采用可編程序控制器可明顯改善上述情況?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）是以微處理器為核心的專用計算機系統(tǒng)，但它擁有比一般計算機更強大的與工業(yè)過程相連接的接口和直接適應(yīng)于控制要求的編程語言。現(xiàn)已成為一種新型工業(yè)控制裝置，它具有體積小、功能強、編程簡單、維護方便等優(yōu)點，因此，用 PLC電路替代傳統(tǒng)的繼電器電路已成為一種趨勢。

1 PLC基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 PLC基本結(jié)構(gòu)

PCL主要由中央處理器（CPU）、儲存器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口和電源等部分組成。在以上各種硬件中CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元分別連接在輸入設(shè)備、輸出設(shè)備與CPU之間。通信接口用于與編程器、上位計算機等外部設(shè)施的連接。根據(jù)各部件的連接方式不同，PLC可以分為兩類：整體式PLC及模塊式PLC。對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)；對于模塊式PLC,各部件獨立封裝成模塊，安裝在機架或?qū)к壣?，各模塊再通過總線連接在一起。

下面簡單介紹PCL幾種主要硬件的作用：

1）電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊，在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。

2）CPU

中央處理單元(CPU)是整個PLC的核心，它實現(xiàn)各種運算并對整個系統(tǒng)進行全面控制，起著總指揮的作用。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲器、I/O接口、編程器、外設(shè)接口、I/O擴展接口相連接來控制他們。PLC根據(jù)系統(tǒng)程序指揮各個系統(tǒng)正常的工作，在一個掃描周期內(nèi)主要完成：（1）輸入處理。（2）程序執(zhí)行。（3）輸出處理。（4）其間響應(yīng)各種外部設(shè)備的工作請求。

3）存儲器

（1）用戶程序存儲器——存放用戶程序。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。

（2）功能存儲器（數(shù)據(jù)區(qū)）——存放用戶數(shù)據(jù)。

4）I/O接口電路

（1）輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現(xiàn)場各種輸入、輸出設(shè)備連接起來的接口或模塊。

（2）輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用是將CPU處理過的輸出數(shù)字信號傳送給輸出端的各種執(zhí)行元件而控制狀態(tài)。

5）通信接口

PLC配有各種通信接口，通過這些接口可與不同設(shè)備連接如監(jiān)視器、打印機等，實現(xiàn)不同的功能。

1.2 PLC的工作原理

當PLC投入運行后，其工作過程分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。

1）輸入采樣階段

PLC輸入采樣階段也就是建立和更新輸入映像區(qū)階段。PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)改變，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。然后關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。

2）用戶程序執(zhí)行階段

在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按“由上而下、從左到右”的原則依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并對控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)，將結(jié)果寫入元件映像寄存器。

3）輸出刷新階段

在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。對于那些在一個掃描周期內(nèi)狀態(tài)沒有發(fā)生變化的邏輯變量，就輸出與前一個周期同樣的信息，不會引起相應(yīng)元件狀態(tài)的變化。

2 組合機床工作原理與流程

2.1 組合機床工作原理

通用部件按功能可分為動力部件、支承部件、輸送部件、控制部件和輔助部件五類。動力部件是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。主要有動力箱、切削頭和動力滑臺。一般機床由床身、中間工件夾緊裝置、左右兩個工位滑臺及動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻排屑系統(tǒng)等組成。主電路中有四臺電機，M1為油泵，提供左右工作臺前進、后退和工件夾緊的動力；M2、M3為左右動力頭電機，工作時切削和加工；M4為冷卻泵。自動工作時，首先起動液壓油泵、確認總原位后，人工上料、按自動加工按鈕工件夾緊后、兩個工位滑臺前進并轉(zhuǎn)工進，同時冷卻泵起動，加工完畢后主軸延時停止旋轉(zhuǎn)，滑臺后退，退到原位壓到行程開關(guān)后停止，兩個工位都退到原位后工件自動松開，整個循環(huán)結(jié)束，人工上料開始第二個循環(huán)。

2.2 系統(tǒng)工作流程

根據(jù)機床的加工需要及工藝要求，首先應(yīng)確定機床的工作狀態(tài)：包括自動、半自動、自動循環(huán)以及循環(huán)次數(shù)設(shè)定等。然后再確定加工方式。按下開始按鈕，會自動調(diào)整機床恢復原位。如果自動產(chǎn)生故障，也可手動調(diào)整。確定機床已經(jīng)恢復原位之后，就可以將工件加緊開始循環(huán)加工：左右滑臺前進、工件前進，工件完成加工，滑臺延時后退，退到原位后停止，當左右兩滑臺都退到原位后將松開工件，至此一個循環(huán)結(jié)束。根據(jù)設(shè)定的循環(huán)次數(shù)緊接著可以進行下一個循環(huán)，如此往復，即可將工件加工完成。

3 PLC在組合機床的控制應(yīng)用

3.1 PLC在組合機床應(yīng)用現(xiàn)狀

PLC具有可靠性高、控制功能強、編程方便和易于使用等特點，現(xiàn)已在機床的工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在精度和可靠性方面，雖然機床的精度和可靠性主要取決于所選用的機床本身而不是控制系統(tǒng)，但它對精度和可靠性還是會產(chǎn)生很大的影響，特別是在生產(chǎn)效率的提高上。

3.2 PLC控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

本系統(tǒng)是以日本三菱公司生產(chǎn)的F1系列PLC為例。根據(jù)系統(tǒng)工作流程，加工過程中，滑臺的移動和工件的夾緊是由電磁閥控制的，Y1、Y2分別控制左滑臺的前進和后退，Y3、Y4分別控制右滑臺的前進和后退，Y5吸合工件夾緊，Y6吸合工件松開。自動加工過程中，當Y5吸合，工件夾緊，壓力繼電器 KA1吸合，以確認工件夾緊后，左右滑臺才能前后移動，加工過程中當系統(tǒng)壓力降低到設(shè)定的壓力，則KA1斷開，滑臺和動力頭停止工作，防止工件飛出傷人。

1）確定I/O點數(shù)

PLC的I/O通道的分配是根據(jù)其控制對象，也就是生產(chǎn)機械的生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝所需要的控制元器件如開關(guān)按鈕、繼電器等，一般不包括大容量的執(zhí)行原件如接觸器等，所賦予的各種PLC可以識別的特定代號。正常情況下，在保證控制要求的前提下，要盡量減少PLC的硬件連線，這樣效率更高，因此，要盡可能減少輸入輸出（I/O）接口的點數(shù)。如此不僅可以降低PLC的成本，還可以使PLC的輸入輸出留有余地，更便于日后使用擴充其功能。綜合考慮滿足要求的I/O點數(shù)分配如表1所示。

表1 I/O點數(shù)分配表

2）程序設(shè)計

根據(jù)工藝流程圖，編制 PLC程序，程序應(yīng)該能在設(shè)備調(diào)試過程中可方便的修改。根據(jù)系統(tǒng)要求，機床控制分為兩部分，一是自動加工狀態(tài)，用于正常的切削加工；一是調(diào)整狀態(tài)，用于機床調(diào)試和刀具的調(diào)整。調(diào)整狀態(tài)下，旋鈕 SA1 斷開X414，按下按鈕 SB2 和SB3，可實現(xiàn)油泵起動和停止；按下按鈕SB4和SB5可實現(xiàn)工件的夾緊和放松。按鈕 SB6- SB9，可實現(xiàn)左右滑臺的退進移動；按鈕SB10和SB11可實現(xiàn)動力頭的點動；SB12可實現(xiàn)工件的自動夾緊。

在機床的自動工作狀態(tài)時，第一步要確定滑臺是否在原位狀態(tài)，如果沒有需要調(diào)整到原位，可以通過機床總原位的指示燈HL2確認。第二步要旋轉(zhuǎn)按鈕SA1使得X414閉合，保證機床自動運行。然后裝好工件，按下自動夾緊按鈕SB12，電子閥Y5工作，工件夾緊，壓力繼電器KA1，X415閉合，Y1和Y3開始工作，左右滑臺同時前進，分別壓到行程開關(guān) SQ3和 SQ6，于是工件開始前進，KM2、KM3接通，左右動力頭工作，進行切削加工，同時KM4接通，冷卻泵工作。當左右滑臺工進到最前端分別壓到行程開關(guān)SQ1、SQ4，同時Y1、Y3斷電，滑臺停止前進，延時3秒后，KM2 4斷開，左右動力頭和水泵停止，同時Y2、Y4接通，滑臺回退到原位開關(guān)后停止，兩滑臺都回退到原位后電磁閥 Y5斷開，Y6接通，工件松開，一個循環(huán)結(jié)束，重新安裝工件后繼續(xù)循環(huán)。為了保證安全，系統(tǒng)設(shè)置了急停按鈕，為防止意外事故的發(fā)生，按下急停按鈕SB1，PLC所有的輸出將全部停止。

4 結(jié)束語

PLC不僅在機床的控制領(lǐng)域，還在電氣控制中都會有非常廣泛的應(yīng)用。它降低了機床運行故障率，提高了機床運行的穩(wěn)定性和可靠性，大幅度的提升生產(chǎn)效率。它的編程控制可以大幅度降低人工操作，同時它運行的信號指示有利于準確的判斷故障發(fā)生的位置，為檢修節(jié)省了時間。

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