曾 葵

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽(yáng) 618000）

基于PLC技術(shù)的機(jī)床控制應(yīng)用

曾 葵

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽(yáng) 618000）

0 引言

在機(jī)床加工實(shí)踐中，組合機(jī)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(jī)床相比較而言，有明顯提升。當(dāng)前組合機(jī)床的零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化及系列化生產(chǎn)，可以按照實(shí)際需求選擇配置，設(shè)計(jì)及制造時(shí)間得到有效控制，所以，組合機(jī)床不但效率高，而且成本低，在實(shí)踐中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。傳統(tǒng)組合機(jī)床對(duì)加工過(guò)程的控制主要是借助繼電器邏輯線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)的，故障發(fā)生率較高，對(duì)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(chǔ)存器、通信接口、擴(kuò)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(jì)算機(jī)等的連接則是通過(guò)通信接口實(shí)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(lèi)型。其中，整體式PLC是將全部零部件集中安裝于一個(gè)機(jī)殼中，而模塊式PLC則是對(duì)不同的零部件進(jìn)行獨(dú)立封裝之后，將其安裝在導(dǎo)軌或者是機(jī)架上，再借助總線(xiàn)實(shí)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(chǔ)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(yùn)算以及整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)編程器、外設(shè)接口、I/O擴(kuò)展接口以及I/O接口等的控制主要是借助地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)以及數(shù)據(jù)總線(xiàn)等實(shí)現(xiàn)的[3]?？删幊踢壿嬁刂破鲗?duì)系統(tǒng)工作進(jìn)行指揮的主要依據(jù)是系統(tǒng)程序，在每個(gè)掃描周期中需要進(jìn)行輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作，此外還需要對(duì)相關(guān)外部設(shè)備發(fā)出的工作請(qǐng)求進(jìn)行處理[4]。電源的主要作用是對(duì)外部輸入的交流電進(jìn)行整流、濾波以及穩(wěn)壓等處理，進(jìn)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(duì)于系統(tǒng)的有效運(yùn)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(dòng)幅度不超過(guò)10%，便可以直接將可編程邏輯控制器與交流電網(wǎng)進(jìn)行連接。存儲(chǔ)器包括用戶(hù)程序存儲(chǔ)器以及功能存儲(chǔ)器兩部分[5]，前者的主要作用是對(duì)用戶(hù)借助編程器輸入的相關(guān)程序進(jìn)行保存，后者的主要作用是對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。I/O接口電路主要包括光耦合電路以及微機(jī)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(chǎng)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(guò)中央處理單元處理的輸出信號(hào)。通信接口的主要作用是支持與打印機(jī)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(shí)現(xiàn)。

PLC的基本工作原理： PLC正常工作過(guò)程大致可以劃分為輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行以及輸出刷新等三大階段，此三個(gè)階段構(gòu)成一個(gè)掃描周期。在PLC的運(yùn)行過(guò)程中，其中央處理單元可以按照既定的速度對(duì)該三階段進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行。輸入采樣階段，主要是對(duì)輸入映像區(qū)進(jìn)行建立及更新。通過(guò)掃描，可編程邏輯控制器對(duì)全部的輸入狀態(tài)以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，之后在I/O映像區(qū)對(duì)應(yīng)的單元中對(duì)所讀取的結(jié)果進(jìn)行保存。完成輸入采樣操作之后，便進(jìn)入到用戶(hù)程序執(zhí)行階段以及輸出刷新階段，在這兩個(gè)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(duì)應(yīng)單元的狀態(tài)及數(shù)據(jù)也是保持不變的，并不會(huì)隨之發(fā)生變動(dòng)。將輸入端口關(guān)閉之后便進(jìn)入程序執(zhí)行階段。用戶(hù)程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器對(duì)用戶(hù)程序進(jìn)行掃描是按照從上到下、由左至右的順序進(jìn)行的，在對(duì)各條梯形圖進(jìn)行掃描的過(guò)程中，首先會(huì)對(duì)位于梯形圖左部的有所有觸點(diǎn)所組成的控制線(xiàn)路進(jìn)行掃描，同時(shí)開(kāi)展控制線(xiàn)路邏輯運(yùn)算，之后以所得到的邏輯運(yùn)算結(jié)果為主要依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)中邏輯線(xiàn)圈向?qū)?yīng)的狀態(tài)進(jìn)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(duì)相關(guān)的輸出鎖存電路進(jìn)行刷新操作的主要依據(jù)是I/O映像區(qū)中所對(duì)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(duì)對(duì)應(yīng)的外設(shè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。如果邏輯變量在一個(gè)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(méi)有任何區(qū)別，從而相對(duì)應(yīng)的元件狀態(tài)也會(huì)保持不變[6]。

1.2 組合機(jī)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(dòng)力部件、支撐部件、輸送部件、控制部件以及輔助部件等類(lèi)型。其中動(dòng)力部件主要包括動(dòng)力箱、動(dòng)力滑臺(tái)以及切削頭，其主要作用是向組合機(jī)床提供主運(yùn)動(dòng)以及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。實(shí)踐中比較常見(jiàn)的機(jī)床主要包括床身、中間工件夾緊裝置、左右工位滑臺(tái)、左右動(dòng)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(tái)電機(jī)構(gòu)成，其中，油泵主要作用是向左右工作臺(tái)提供動(dòng)力，使其可以順利實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退以及工件夾緊操作；左、右動(dòng)力頭電機(jī)主要負(fù)責(zé)切削及加工；冷卻泵在自動(dòng)工作狀態(tài)下，首先將液壓油泵啟動(dòng)，對(duì)總原位進(jìn)行確認(rèn)之后，依次進(jìn)行人工上料、工件夾緊，左右工位滑臺(tái)前進(jìn)，并啟動(dòng)冷卻泵，在完成加工程序之后，主軸延時(shí)旋轉(zhuǎn)也會(huì)隨即停止，當(dāng)滑臺(tái)以及工位均退至原位之后，工件將會(huì)自動(dòng)松開(kāi)，一個(gè)循環(huán)過(guò)程隨即結(jié)束。

按照機(jī)床加工需求以及工藝要求，第一步要對(duì)機(jī)床工作狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，機(jī)床主要有自動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)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(kāi)始鍵按下，對(duì)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，若存在故障也可以手動(dòng)調(diào)整，機(jī)床原位復(fù)位確認(rèn)之后，夾緊工件，循環(huán)加工開(kāi)始，左右滑臺(tái)以及工件前進(jìn)，工件加工結(jié)束之后，滑臺(tái)延時(shí)后退，當(dāng)滑臺(tái)位于原位之后，并且左右兩滑臺(tái)都退到原位后，工件松開(kāi)，循環(huán)過(guò)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(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)過(guò)程，如此反復(fù)，直至完成工件加工過(guò)程。

2 基于PLC的機(jī)床控制應(yīng)用分析

2.1 組合機(jī)床中PLC的應(yīng)用情況

可編程邏輯控制器的主要優(yōu)點(diǎn)有：編程簡(jiǎn)單、便于使用、安全可靠，并且具有強(qiáng)大的控制功能，當(dāng)前在機(jī)床工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。于機(jī)床而言，機(jī)床自身對(duì)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(jī)床的精準(zhǔn)度以及可靠性，尤其是對(duì)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(jì)

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(jìn)行分析。按照系統(tǒng)工作流程，在機(jī)床工作時(shí)，電磁閥控制著滑臺(tái)的移動(dòng)以及工件的夾緊，其中，左滑臺(tái)的前進(jìn)由Y1控制，后退由Y2控制，右滑臺(tái)的前進(jìn)及后退則分別由Y3和Y4掌握，工件的夾緊及張開(kāi)則分別由Y5和Y6控制。當(dāng)工件夾緊時(shí)，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(dòng)左右兩個(gè)滑輪。在進(jìn)行加工作業(yè)的時(shí)候，將系統(tǒng)壓力降低至設(shè)置的壓力值，KA1將處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)，滑臺(tái)以及動(dòng)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(diǎn)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(duì)象，即滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械作業(yè)過(guò)程及生產(chǎn)工藝需求的控制元件，比較常見(jiàn)的有繼電器以及開(kāi)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(dá)到更高的效率，需要在滿(mǎn)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(xiàn)數(shù)量，所以，就需要對(duì)輸入及輸出接口點(diǎn)數(shù)，也就是I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｍㄟ^(guò)減少I(mǎi)/O點(diǎn)數(shù)，一方面有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行功能升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)

對(duì)可編程邏輯控制器程序進(jìn)行編制，要確保在調(diào)試設(shè)備的過(guò)程中可以方便地修改程序。結(jié)合系統(tǒng)的具體要求，將機(jī)床控制劃分為自動(dòng)加工狀態(tài)以及調(diào)整狀態(tài)兩部分。其中，自動(dòng)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(jī)床等情況。當(dāng)處于調(diào)整狀態(tài)時(shí)，要想啟動(dòng)或停止油泵，只需要將X414斷開(kāi)，將SB2以及SB3兩個(gè)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(gè)按鈕按下；掌握左滑臺(tái)以及右滑臺(tái)前進(jìn)和后退的是SB6—SB9等幾個(gè)按鈕，動(dòng)力頭點(diǎn)動(dòng)則由SB10和SB11控制，工件自動(dòng)夾緊受SB12控制。在機(jī)床處于自動(dòng)工作狀態(tài)的情況下，首先要對(duì)滑臺(tái)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，如果滑臺(tái)沒(méi)有處于原位狀態(tài)，需要將其調(diào)整至原位，并借助機(jī)床總原位指示燈對(duì)其進(jìn)行確認(rèn)；其次，通過(guò)對(duì)SA1按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，達(dá)到閉合X414的目的，確保機(jī)床自動(dòng)運(yùn)行；對(duì)工件進(jìn)行安裝，將SB12按鈕及自動(dòng)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(gè)滑臺(tái)共同前進(jìn)，分別壓到行程開(kāi)關(guān)SQ3和SQ6，此時(shí)工件將前進(jìn)，接通KM2以及KM3，左右動(dòng)力頭工作，執(zhí)行切削操作，并接通KM4， 啟動(dòng)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(shí)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(yùn)行安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

PLC在機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中故障發(fā)生率的有效控制，提升運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性，基于PLC的機(jī)床控制已經(jīng)成為未來(lái)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

[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(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù). 2009(07).

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

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

[4]李法光, 孫建業(yè), 祝輝. 組合機(jī)床專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J]. 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2011(03).

[5]李俊秀, 趙黎明. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù)實(shí)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(jī)床上的應(yīng)用綜述[J]. 可編程控制器與工廠自動(dòng)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(jī)床加工過(guò)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(shí)還具有編程簡(jiǎn)單、便于維護(hù)、功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)。本文首先對(duì)PLC結(jié)構(gòu)及工作原理、組合機(jī)床工作原理及流程進(jìn)行介紹，之后對(duì)PLC在組合機(jī)床中的控制應(yīng)用進(jìn)行了深入闡述。

PLC；機(jī)床控制；應(yīng)用

曾葵（1958－），男，四川成都人， 副教授，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

TH138.9

B

1009-0134(2012)10(上)-0129-03

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

2012-08-03