淺議PLC在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

慕卒也

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

淺議PLC在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

慕卒也

（渤海大學(xué) 遼寧 錦州 121000）

數(shù)控機(jī)床是一種機(jī)電一體化的數(shù)字控制自動(dòng)化機(jī)床。早期的數(shù)控機(jī)床是依靠繼電器邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。由于繼電器邏輯是一種硬接線系統(tǒng)，布線復(fù)雜，體積龐大，更改困難，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，很難維修。這樣的系統(tǒng)，其可靠性往往也不高，影響正常的生產(chǎn)。本論文通過(guò)PLC與其它控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，利用PLC可靠、穩(wěn)定、比較容易擴(kuò)展等相關(guān)的特點(diǎn)，來(lái)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的改造進(jìn)行了分析，希望本論文的分析研究工作能夠?yàn)槲覈?guó)其它類(lèi)似PLC在機(jī)床電氣控制系統(tǒng)改造中應(yīng)用提供一定的借鑒意義和參考價(jià)值。另外，本論文主要介紹了利用三菱公司生產(chǎn)的FX2N系統(tǒng)的PLC改造C650型普通機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)[1]。

數(shù)控機(jī)床；繼電器；改造；PLC

1.前言

可編程控制器(PLC)是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)緊密結(jié)合，集計(jì)算機(jī)、控制、通訊于一體，具有可靠性高、通用性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、易于使用維修方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)自動(dòng)化提供了近乎完美的自動(dòng)控制裝置[2]。

根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的情況，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)依然是機(jī)械設(shè)備最常用的電氣控制方式，許多企業(yè)和高校實(shí)習(xí)工廠的機(jī)床和設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，由于采用物理電子器件和大量而又復(fù)雜的硬接線，使得系統(tǒng)的可靠性差，工作效率低，故障診斷和排除困難，嚴(yán)重影響了工廠的生產(chǎn)效率。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，可編程控制器的出現(xiàn)，許多以繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的機(jī)床組合電路通過(guò)改進(jìn)，采用可編程控制系統(tǒng)，無(wú)論在性能上或者效率上都能得到很大提升。因此，采用PLC對(duì)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，很有益處。

2.對(duì)相關(guān)基本理論進(jìn)行概述

2.1 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的組成及工作原理

CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，CNC系統(tǒng)主要是指圖中的CNC控制器[3]，它是由計(jì)算機(jī)硬件、數(shù)控系統(tǒng)軟件及相應(yīng)的輸入/輸出接口構(gòu)成的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和可編程控制器所組成[4]。前者處理機(jī)床軌跡運(yùn)動(dòng)的數(shù)字控制，后者則處理開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。

圖2-1 CNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖

雖然數(shù)控系統(tǒng)種類(lèi)繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通過(guò)運(yùn)算器進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后對(duì)進(jìn)給軸進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的數(shù)控功能。包括三個(gè)過(guò)程：（1）進(jìn)給系統(tǒng)控制；進(jìn)給系統(tǒng)的控制大多是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[5]。步進(jìn)電機(jī)是一種在外加電脈沖信號(hào)的作用下一步一步地運(yùn)轉(zhuǎn)，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的機(jī)電元件。其角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入同步， 控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電機(jī)繞組通電順序， 便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、速度及轉(zhuǎn)動(dòng)方向；無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子保持原來(lái)的位置狀態(tài)。利用這一原理，便可實(shí)現(xiàn)加工時(shí)縱、橫向的進(jìn)給，并可獲得較高精度。（2）開(kāi)關(guān)量控制；數(shù)控機(jī)床的開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制是通過(guò)PLC來(lái)完成的。（3）主軸控制；數(shù)控系統(tǒng)只對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。數(shù)控裝置通過(guò)PLC對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行起?？刂?。

2.2 機(jī)床主要結(jié)構(gòu)部件

機(jī)床主要由底座、床身、銑削動(dòng)力頭、液壓動(dòng)力滑臺(tái)、液壓站、工作臺(tái)、工件松緊油缸等組成。機(jī)床底座上安放有床身，床身上一頭安裝有液壓動(dòng)力滑臺(tái)，工件及夾緊裝置放于滑臺(tái)上。床身的兩邊各安裝有一臺(tái)銑銷(xiāo)頭，上方有立銑頭，液壓站在機(jī)床附近。

2.3 PLC的簡(jiǎn)介及基本結(jié)構(gòu)

可編程序控制器（Programmable Controller）簡(jiǎn)稱(chēng)PC，為了不與個(gè)人計(jì)算機(jī)（也簡(jiǎn)稱(chēng)PC）混淆，通常將可編程序控制器稱(chēng)為PLC[6]。它是在電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。

目前，PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場(chǎng)合最多的工業(yè)控制裝置，并被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。

與一般微機(jī)控制系統(tǒng)最大的區(qū)別是，PLC必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力、廣泛的適應(yīng)能力和廣闊的應(yīng)用范圍。

PLC也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成[7]。它的基本結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示。

圖2-2 PLC的基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.C650普通機(jī)床電氣控制要求

對(duì)于C650型車(chē)床來(lái)講，它是一種使用非常廣泛的金屬切削方面的機(jī)床。其電氣主電路圖為下圖3-1所示。其中，M2代表冷卻泵電動(dòng)機(jī)；M2則代表的是主軸電動(dòng)機(jī)；而對(duì)于M3，它則代表刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)；對(duì)于FR1～FR2，則代表熱繼電器的熱元件；對(duì)于KM～KM4，則代表交流接觸器；對(duì)于FU1～FU3，則代表為熔斷器；對(duì)于SR，則代表為速度繼電器。機(jī)床工藝范圍廣，因而它的調(diào)速范圍大、運(yùn)動(dòng)多。其對(duì)電氣控制的要求有：

①為適應(yīng)各種工件加工工藝的要求，主軸應(yīng)能在一定范圍內(nèi)調(diào)速，采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪變速系統(tǒng)。

②由于采用齒輪變速，為防止出現(xiàn)頂齒現(xiàn)象，要求主軸系統(tǒng)變速時(shí)作低速斷續(xù)沖動(dòng)。

③要求主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

④電路應(yīng)有必要的保護(hù)和聯(lián)鎖的措施。

⑤主軸電動(dòng)機(jī)和冷卻電動(dòng)機(jī)有短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)，因快移電動(dòng)機(jī)只需要短時(shí)間工作，所以不需要設(shè)置過(guò)載保護(hù)[8]。

⑥為了監(jiān)視主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)載的情況，在主軸電路中通過(guò)互感器接入電流表[9]。

圖3-1 電氣主電路圖

4.PLC控制電路

為了能夠?qū)崿F(xiàn)C650機(jī)床上述的相關(guān)電氣方面的控制要求，現(xiàn)在選擇三菱公司生產(chǎn)的FX2N-24MR型PLC[10]。

4.1 I/O地址分配表

表1 I/O地址分配表

4.2 輸入輸出端的接線圖

對(duì)于輸入輸出端的接線圖，如下圖4-1所示。

圖4-1 輸入輸出端接線圖

4.3 C650普通機(jī)床的PLC梯形圖

下圖4-2為C650普通機(jī)床的PLC梯形圖。

圖4-2 C650普通機(jī)床的PLC梯形圖

4.3.1 對(duì)PLC梯形圖控制進(jìn)行分析

a.調(diào)整對(duì)刀過(guò)程：合上QS，按下SB2，X2接通，Y1動(dòng)作使KM1吸合，M1串電阻限流點(diǎn)動(dòng)，松開(kāi)SB2，X2斷開(kāi)，M1停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整車(chē)床位置；

b.車(chē)床工作過(guò)程：合上QS，按下SB3，X3接通，Y0動(dòng)作，KM3吸合短接電阻R，同時(shí)M10動(dòng)作，Y1動(dòng)作，KM1吸合，M1正轉(zhuǎn)起動(dòng)運(yùn)行，開(kāi)始車(chē)削加工。要停車(chē)時(shí)，按下SB1，X1接通，X1的常閉觸頭斷開(kāi)，所有線圈除M1、M2外均釋放。松開(kāi)SB1，由于慣性，SR1常開(kāi)觸點(diǎn)仍閉合，X10接通，使M1線圈接通，Y2線圈接通，KM2吸合，主軸電動(dòng)機(jī)M1電源反接并串限流電阻R實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)，當(dāng)速度接近零時(shí)，SR1常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，KM2釋放M1停轉(zhuǎn)；

c.刀架快移過(guò)程：合上QS，扳動(dòng)進(jìn)給操縱手柄壓合位置開(kāi)關(guān)SQ，X7接通，Y4動(dòng)作，KM4吸合，M3起動(dòng)運(yùn)行，刀架向指定方向快速移動(dòng)；

d.如果車(chē)削加工過(guò)程中，工件需要使用冷卻液時(shí)，按下SB6，X6接通，Y3線圈得電，KM3工作，M2工作，開(kāi)始供給冷卻液。要停車(chē)，按下SB5即可；

e.當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，F(xiàn)R1 或FR2 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，切斷電源，電動(dòng)機(jī)停止工作；

f.反轉(zhuǎn)工作過(guò)程與正轉(zhuǎn)相同。

4.3.2 梯形圖主要有如下一些特點(diǎn)

a.為了避免M1電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)造成相間短路，除采用程序上軟繼電器的觸點(diǎn)聯(lián)鎖外，還在KM1和KM2的線圈支路上采用了接觸器常閉觸點(diǎn)的電路聯(lián)鎖；

b.為了防止合上QS后有人轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)，使速度繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)X10（或X11）閉合，造成Y1或Y2吸合，M1突然轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)造成事故，特引入內(nèi)部輔助繼電器的M1、M2，在M1或M2沒(méi)有接通的情況下，SR的常開(kāi)觸點(diǎn)即使閉合，電機(jī)M1也不可能運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.結(jié)束語(yǔ)

PLC（可編程控制器）以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性?xún)r(jià)比高、體積小、能耗低等顯著特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制之中。

PLC技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床不僅節(jié)省了大量的電氣元件、導(dǎo)線與原材料，而且可靠性高、使用靈活、調(diào)試方便，縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了維修工作量，提高了加工零件合格率，具有整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。再加上由組態(tài)王設(shè)計(jì)的人機(jī)界面（HMI），使整個(gè)控制系統(tǒng)的操作變得簡(jiǎn)單，方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。

[1]史宜巧，孫業(yè)明，景邵學(xué).PLC技術(shù)及應(yīng)用項(xiàng)目教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.

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TP13

A

1009-5624（2016）05-0032-03

慕卒也（1994.08.01），男，遼寧省丹東人，錦州市太和區(qū)渤海大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)本科生