基于PLC技術(shù)的機床控制應(yīng)用

曾 葵

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

基于PLC技術(shù)的機床控制應(yīng)用

曾 葵

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

0 引言

在機床加工實踐中，組合機床由于采取多軸、多刀、多面和多工位加工方式，使得其在生產(chǎn)效率方面與常規(guī)機床相比較而言，有明顯提升。當(dāng)前組合機床的零部件已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化及系列化生產(chǎn)，可以按照實際需求選擇配置，設(shè)計及制造時間得到有效控制，所以，組合機床不但效率高，而且成本低，在實踐中的應(yīng)用范圍越來越廣。傳統(tǒng)組合機床對加工過程的控制主要是借助繼電器邏輯線路實現(xiàn)的，故障發(fā)生率較高，對生產(chǎn)效率造成不利影響。

1 理論概述

1.1 PLC結(jié)構(gòu)及工作原理

PLC，即可編程邏輯控制器，主要涉及到中央處理器、輸出及輸入單元、儲存器、通信接口、擴展接口以及電源等部件。其中，可編程邏輯控制器的核心部件為中央處理器，在輸入、輸出設(shè)備以及中央處理器之間連接有輸入單元以及輸出單元，與外部設(shè)置（例如編程器）以及上位計算機等的連接則是通過通信接口實現(xiàn)的[1]。以各部件連接方式為主要依據(jù)，可以將可編程邏輯控制器劃分為整體式以及模塊式兩種類型。其中，整體式PLC是將全部零部件集中安裝于一個機殼中，而模塊式PLC則是對不同的零部件進行獨立封裝之后，將其安裝在導(dǎo)軌或者是機架上，再借助總線實現(xiàn)相互間的連接。

可編程邏輯控制器幾大關(guān)鍵硬件主要有中央處理器、電源、存儲器、I/O接口電路以及通信接口[2]，其中最為關(guān)鍵的硬件就是中央處理單元。中央處理單元控制著相關(guān)運算以及整個系統(tǒng)，對編程器、外設(shè)接口、I/O擴展接口以及I/O接口等的控制主要是借助地址總線、控制總線以及數(shù)據(jù)總線等實現(xiàn)的[3]。可編程邏輯控制器對系統(tǒng)工作進行指揮的主要依據(jù)是系統(tǒng)程序，在每個掃描周期中需要進行輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作，此外還需要對相關(guān)外部設(shè)備發(fā)出的工作請求進行處理[4]。電源的主要作用是對外部輸入的交流電進行整流、濾波以及穩(wěn)壓等處理，進而得到可編程邏輯控制器內(nèi)部工作所支持的直流電源電路或者是電源模塊，對于系統(tǒng)的有效運行而言，電源發(fā)揮著不容忽視的關(guān)鍵作用。通常情況下，如果交流電壓的波動幅度不超過10%，便可以直接將可編程邏輯控制器與交流電網(wǎng)進行連接。存儲器包括用戶程序存儲器以及功能存儲器兩部分[5]，前者的主要作用是對用戶借助編程器輸入的相關(guān)程序進行保存，后者的主要作用是對用戶數(shù)據(jù)進行保存。I/O接口電路主要包括光耦合電路以及微機的輸入接口電路兩部分，其主要作用是充當(dāng)連接可編程邏輯控制器和現(xiàn)場輸入及輸出設(shè)備的接口或模塊；輸出接口電路的主要作用是向輸出端執(zhí)行元件傳輸經(jīng)過中央處理單元處理的輸出信號。通信接口的主要作用是支持與打印機或者是監(jiān)視器等相關(guān)設(shè)備的連接，以確保相應(yīng)功能的有效實現(xiàn)。

PLC的基本工作原理： PLC正常工作過程大致可以劃分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新等三大階段，此三個階段構(gòu)成一個掃描周期。在PLC的運行過程中，其中央處理單元可以按照既定的速度對該三階段進行重復(fù)執(zhí)行。輸入采樣階段，主要是對輸入映像區(qū)進行建立及更新。通過掃描，可編程邏輯控制器對全部的輸入狀態(tài)以及相關(guān)數(shù)據(jù)進行讀取，之后在I/O映像區(qū)對應(yīng)的單元中對所讀取的結(jié)果進行保存。完成輸入采樣操作之后，便進入到用戶程序執(zhí)行階段以及輸出刷新階段，在這兩個階段中，即便是改變輸入狀態(tài)以及相關(guān)數(shù)據(jù)，I/O映像區(qū)中對應(yīng)單元的狀態(tài)及數(shù)據(jù)也是保持不變的，并不會隨之發(fā)生變動。將輸入端口關(guān)閉之后便進入程序執(zhí)行階段。用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器對用戶程序進行掃描是按照從上到下、由左至右的順序進行的，在對各條梯形圖進行掃描的過程中，首先會對位于梯形圖左部的有所有觸點所組成的控制線路進行掃描，同時開展控制線路邏輯運算，之后以所得到的邏輯運算結(jié)果為主要依據(jù)，對系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中邏輯線圈向?qū)?yīng)的狀態(tài)進行刷新，并在元件映像區(qū)中輸入所獲得的相關(guān)結(jié)果。輸出刷新階段，中央處理單元對相關(guān)的輸出鎖存電路進行刷新操作的主要依據(jù)是I/O映像區(qū)中所對應(yīng)的狀態(tài)以及數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上借助輸出電路對對應(yīng)的外設(shè)進行驅(qū)動。如果邏輯變量在一個完整的掃描周期中并未發(fā)生任何狀態(tài)上的改變，該周期所輸出的信息就與上一周期輸出的周期之間就沒有任何區(qū)別，從而相對應(yīng)的元件狀態(tài)也會保持不變[6]。

1.2 組合機床工作原理及流程

以功能為主要依據(jù)，可以將通用部件劃分為動力部件、支撐部件、輸送部件、控制部件以及輔助部件等類型。其中動力部件主要包括動力箱、動力滑臺以及切削頭，其主要作用是向組合機床提供主運動以及進給運動。實踐中比較常見的機床主要包括床身、中間工件夾緊裝置、左右工位滑臺、左右動力系統(tǒng)、冷卻排屑系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)等。主電路由四臺電機構(gòu)成，其中，油泵主要作用是向左右工作臺提供動力，使其可以順利實現(xiàn)前進、后退以及工件夾緊操作；左、右動力頭電機主要負(fù)責(zé)切削及加工；冷卻泵在自動工作狀態(tài)下，首先將液壓油泵啟動，對總原位進行確認(rèn)之后，依次進行人工上料、工件夾緊，左右工位滑臺前進，并啟動冷卻泵，在完成加工程序之后，主軸延時旋轉(zhuǎn)也會隨即停止，當(dāng)滑臺以及工位均退至原位之后，工件將會自動松開，一個循環(huán)過程隨即結(jié)束。

按照機床加工需求以及工藝要求，第一步要對機床工作狀態(tài)進行確認(rèn)，機床主要有自動、半自動、自動循環(huán)以及循環(huán)次數(shù)設(shè)定等四種工作狀態(tài)；第二步就是選擇加工方式，先將開始鍵按下，對機床進行自動調(diào)整，若存在故障也可以手動調(diào)整，機床原位復(fù)位確認(rèn)之后，夾緊工件，循環(huán)加工開始，左右滑臺以及工件前進，工件加工結(jié)束之后，滑臺延時后退，當(dāng)滑臺位于原位之后，并且左右兩滑臺都退到原位后，工件松開，循環(huán)過程結(jié)束。以事先所設(shè)定的循環(huán)次數(shù)為主要依據(jù)，隨即進入到下一個循環(huán)過程，如此反復(fù)，直至完成工件加工過程。

2 基于PLC的機床控制應(yīng)用分析

2.1 組合機床中PLC的應(yīng)用情況

可編程邏輯控制器的主要優(yōu)點有：編程簡單、便于使用、安全可靠，并且具有強大的控制功能，當(dāng)前在機床工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍不斷擴大。于機床而言，機床自身對精準(zhǔn)度以及可靠性發(fā)揮著決定性作用，但是，所選擇的控制系統(tǒng)在很大程度上影響著機床的精準(zhǔn)度以及可靠性，尤其是對于提升生產(chǎn)效率作用更為顯著。

2.2 PLC控制系統(tǒng)分析及設(shè)計

本文選擇日本三菱公司研發(fā)的F1系列可編程邏輯控制器進行分析。按照系統(tǒng)工作流程，在機床工作時，電磁閥控制著滑臺的移動以及工件的夾緊，其中，左滑臺的前進由Y1控制，后退由Y2控制，右滑臺的前進及后退則分別由Y3和Y4掌握，工件的夾緊及張開則分別由Y5和Y6控制。當(dāng)工件夾緊時，壓力繼電器處于吸合狀態(tài)，在工件夾緊得到確認(rèn)之后，才可以前后移動左右兩個滑輪。在進行加工作業(yè)的時候，將系統(tǒng)壓力降低至設(shè)置的壓力值，KA1將處于斷開狀態(tài)，此時，滑臺以及動力頭的工作隨即停止，以避免出現(xiàn)工件飛出事故，造成人身傷亡。

2.2.1 確定輸入及輸出點數(shù)

可編程邏輯控制器I/O通道分配的主要依據(jù)為控制對象，即滿足生產(chǎn)機械作業(yè)過程及生產(chǎn)工藝需求的控制元件，比較常見的有繼電器以及開關(guān)按鈕等，通常情況下不涉及諸如接觸器等容量較大的執(zhí)行元件。一般而言，為確保達到更高的效率，需要在滿足控制需求的基礎(chǔ)之上，盡可能的控制可編程邏輯控制器的硬件連線數(shù)量，所以，就需要對輸入及輸出接口點數(shù)，也就是I/O點數(shù)進行適當(dāng)?shù)目刂?。通過減少I/O點數(shù)，一方面有助于實現(xiàn)對可編程邏輯控制器成本的有效控制，另一方面，還可以保留必要的可編程邏輯控制器輸入及輸出空間，為之后進行功能升級奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 程序設(shè)計

對可編程邏輯控制器程序進行編制，要確保在調(diào)試設(shè)備的過程中可以方便地修改程序。結(jié)合系統(tǒng)的具體要求，將機床控制劃分為自動加工狀態(tài)以及調(diào)整狀態(tài)兩部分。其中，自動加工狀態(tài)主要適用于常規(guī)的切削加工情況，而調(diào)整狀態(tài)則主要適用于調(diào)整刀具以及調(diào)試機床等情況。當(dāng)處于調(diào)整狀態(tài)時，要想啟動或停止油泵，只需要將X414斷開，將SB2以及SB3兩個按鈕按下即可；要想夾緊或放松工件，則需要將SB4以及SB5兩個按鈕按下；掌握左滑臺以及右滑臺前進和后退的是SB6—SB9等幾個按鈕，動力頭點動則由SB10和SB11控制，工件自動夾緊受SB12控制。在機床處于自動工作狀態(tài)的情況下，首先要對滑臺狀態(tài)進行確認(rèn)，如果滑臺沒有處于原位狀態(tài)，需要將其調(diào)整至原位，并借助機床總原位指示燈對其進行確認(rèn)；其次，通過對SA1按鈕進行旋轉(zhuǎn)，達到閉合X414的目的，確保機床自動運行；對工件進行安裝，將SB12按鈕及自動夾緊按鈕按下，使電子閥處于工作狀態(tài)，閉合壓力繼電器KA1以及X41，兩個滑臺共同前進，分別壓到行程開關(guān)SQ3和SQ6，此時工件將前進，接通KM2以及KM3，左右動力頭工作，執(zhí)行切削操作，并接通KM4， 啟動冷卻泵。系統(tǒng)特別安裝了急停按鈕，當(dāng)遇到意外狀態(tài)的時候，只要將SB1按鈕按下，可編程邏輯控制器全部輸出隨即被停止，從而可以有效避免出現(xiàn)意外情況，確保運行安全性。

3 結(jié)束語

PLC在機床控制領(lǐng)域以及電氣控制領(lǐng)域均有較大影響力，可以實現(xiàn)對機床運行過程中故障發(fā)生率的有效控制，提升運行穩(wěn)定性及可靠性，基于PLC的機床控制已經(jīng)成為未來發(fā)展的一大趨勢。

[1]荀群德, 楊超君, 王宏睿, 禹建勇, 葉鎮(zhèn). 基于PLC的六工位組合機床的控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù). 2009(07).

[2]秦常貴. 基于PLC的組合機床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新. 2011(03).

[3]麥艷紅, 鐘文. PLC在半精鏜床專用機床控制中的應(yīng)用[J].電氣自動化. 2006(04).

[4]李法光, 孫建業(yè), 祝輝. 組合機床專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 沈陽理工大學(xué)學(xué)報. 2011(03).

[5]李俊秀, 趙黎明. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)指導(dǎo)[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[6]袁日壽, 王正. PLC在組合機床上的應(yīng)用綜述[J]. 可編程控制器與工廠自動化, 2008, 06.

Application of machine tool control based on PLC technology

ZENG Kui

按照傳統(tǒng)的控制方式，機床加工過程中的故障發(fā)生率較高，而依托于可編程邏輯控制器的控制系統(tǒng)不但故障率低，同時還具有編程簡單、便于維護、功能強大等優(yōu)勢。本文首先對PLC結(jié)構(gòu)及工作原理、組合機床工作原理及流程進行介紹，之后對PLC在組合機床中的控制應(yīng)用進行了深入闡述。

PLC；機床控制；應(yīng)用

曾葵（1958－），男，四川成都人， 副教授，本科，研究方向為機械設(shè)計。

TH138.9

B

1009-0134(2012)10(上)-0129-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2012.10(上).41

2012-08-03