喬志剛

摘 要：加工中心設(shè)計(jì)采用PLC技術(shù)，能夠提升自身的換刀和選刀效率?；赑LC的控制系統(tǒng)擁有良好的穩(wěn)定性與操作性，能夠降低能耗，縮小誤差。因此，本文探討了基于PLC的加工中心控制設(shè)計(jì)。首先概述PLC的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)點(diǎn)，然后探討基于PLC的換刀控制，再闡述基于PLC的加工中心控制系統(tǒng)特點(diǎn)，最后分析具體的控制設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：PLC;加工中心;控制設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659;TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0076-03

Abstract： The machining center design adopts PLC technology， which can improve its own tool change and tool selection efficiency. The PLC-based control system has good stability and operability， which can reduce energy consumption and reduce errors. Therefore， this paper discussed the control design of the machining center based on PLC. In the meantime， it first summarized the application fields and advantages of PLC， then discussed the PLC-based tool change control， then elaborated the characteristics of the PLC-based machining center control system， and finally analyzed the specific control design.

Keywords： PLC;machining center;control design

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一種專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。其因具有可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。本文主要分析基于PLC的加工中心控制設(shè)計(jì)。

1 PLC概述

PLC是基于計(jì)算機(jī)發(fā)展而來(lái)的新型工業(yè)控制裝置，也是為工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的電子裝置，如圖1所示。PLC采用能夠用于編寫(xiě)程序的存儲(chǔ)器，主要用于下達(dá)各種內(nèi)部存儲(chǔ)的運(yùn)算操作指令，同時(shí)利用數(shù)字式輸入（出）對(duì)機(jī)械進(jìn)行控制。PLC及其有關(guān)的各種外圍設(shè)備都需要根據(jù)工業(yè)控制系統(tǒng)要求，構(gòu)建統(tǒng)一的整體，優(yōu)化功能設(shè)計(jì)。PLC本身具有諸多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，當(dāng)前，其已經(jīng)在我國(guó)諸多工業(yè)門(mén)類中得到應(yīng)用[1-3]。

1.1 應(yīng)用領(lǐng)域

PLC應(yīng)用領(lǐng)域主要包括兩點(diǎn)。一是運(yùn)動(dòng)控制。PLC利用專用指令，對(duì)圓周或直線運(yùn)動(dòng)的加速度與速度進(jìn)行控制，有效實(shí)現(xiàn)雙軸、單軸位置等方面的控制，將順序控制與運(yùn)動(dòng)控制兩者有效結(jié)合。二是數(shù)據(jù)處理。當(dāng)下，PLC具有數(shù)據(jù)采集、傳輸以及處理等功能，并且能夠?qū)π聰?shù)據(jù)和存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1.2 PLC的優(yōu)點(diǎn)

一是可靠性高。PLC并不需要過(guò)多的元件，這使得PLC連線變得很少，系統(tǒng)維修十分簡(jiǎn)單。PLC還采用抗干擾措施，擁有較強(qiáng)的抗干擾能力，其可以應(yīng)用在具有強(qiáng)烈干擾的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，不會(huì)輕易出現(xiàn)故障，PLC成為企業(yè)非常喜歡使用的控制裝置。二是維修工作量較小。PLC本身發(fā)生故障的概率很低，其自身?yè)碛休^為健全的顯示與自我診斷功能，這使得PLC的維修量非常小。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，檢修人員能夠第一時(shí)間知道故障發(fā)生的原因和位置，方便檢修[4-7]。三是具有很強(qiáng)的功能。小型PLC含有很多供用戶使用的編程元件，相較于其他同類型的裝置，其擁有很強(qiáng)的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的控制功能。

2 基于PLC的換刀控制

當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)高速發(fā)展，加工中心要加強(qiáng)對(duì)刀具的自動(dòng)控制。自動(dòng)換刀不僅能夠提升加工效率，還能夠有效避免人工換刀而導(dǎo)致的問(wèn)題。自動(dòng)換刀系統(tǒng)主要包括機(jī)械手、刀庫(kù)和控制裝置三部分，若刀庫(kù)體積過(guò)大，將會(huì)直接影響換刀時(shí)的移動(dòng)速度，容易出現(xiàn)誤差[8-10]。機(jī)械手能夠使得換刀作業(yè)更加高效，可以實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。加工中心換刀控制可以通過(guò)若干程序完成提速，有效節(jié)約加工時(shí)間。為了有效提升加工進(jìn)度，研究人員可以以PLC為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)，通過(guò)PLC對(duì)換刀進(jìn)行更加準(zhǔn)確的控制，從而滿足加工需求。

3 基于PLC的加工中心控制系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 穩(wěn)定性良好

以PLC為基礎(chǔ)所構(gòu)建的加工中心控制系統(tǒng)本身?yè)碛辛己玫目垢蓴_能力。和繼電器相比，從存儲(chǔ)形式來(lái)看，PLC擁有非常好的邏輯性，二者都是通過(guò)程序形式完成存儲(chǔ)工作，若程序發(fā)生改變，那么邏輯隨之改變。傳統(tǒng)繼電器控制主要采用并聯(lián)組合，利用硬線進(jìn)行連接，連接線很多，通常會(huì)影響日后的調(diào)整[11-12]。從控制方式來(lái)看，繼電器控制通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)來(lái)達(dá)到控制效果，并不能達(dá)到理想的狀態(tài)，甚至還會(huì)大大降低工作效率。而PLC則利用指令完成控制，擁有很快的運(yùn)行速度。PLC可以有效解決加工中心的控制問(wèn)題，降低外界干擾，大大提升設(shè)備的使用率。現(xiàn)階段，加工中心已經(jīng)廣泛應(yīng)用PLC，使用效果良好，能夠有效預(yù)防故障。

3.2 操作性較強(qiáng)

基于PLC的加工中心控制系統(tǒng)應(yīng)用較為便捷，適用于較為復(fù)雜的環(huán)境，可以為諸多用戶提供編程服務(wù)。相較于繼電器，PLC構(gòu)建的系統(tǒng)擁有更大的優(yōu)勢(shì)，不僅可以將互聯(lián)網(wǎng)作為出口進(jìn)行分散控制，還使得操作更加簡(jiǎn)單、管理更為集中。加工中心利用PLC替代繼電器，使得控制工作變得更加精準(zhǔn)，大大提升了工作效率[13-14]。PLC具有良好的故障處理能力，如果系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障，就會(huì)及時(shí)發(fā)出警告，讓工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)檢修，快速解決故障，使得加工中心正常工作，從而降低損失。

3.3 能耗低且質(zhì)量輕

PLC的能耗較低，質(zhì)量很輕，操作簡(jiǎn)便，因?yàn)镻LC借助大規(guī)模集成電路組裝而成[15-16]。PLC可以促進(jìn)機(jī)電一體化，讓加工中心實(shí)現(xiàn)良好的自動(dòng)控制。過(guò)去，復(fù)雜的控制系統(tǒng)通常使用大量繼電器進(jìn)行控制，而PLC可以有效降低繼電器使用數(shù)量，使控制系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)單。PLC本身體積很小，如此便可以縮小開(kāi)關(guān)柜的體積，為加工中心節(jié)省空間。

4 基于PLC的加工中心控制設(shè)計(jì)

加工中心需要使用不同刀具完成加工工作，其需要選擇最為適合的刀具，利用選擇指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。自動(dòng)選刀主要包括兩種模式。

4.1 按順序選刀

人們根據(jù)加工時(shí)所使用的刀具順序?qū)⒉煌毒叻湃氲蹲?，刀具順序不可擺錯(cuò)，否則將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的加工事故。如果加工的零件發(fā)生變化，就要改變刀具順序，以便滿足加工需求[17-18]。這種刀具選擇模式具有非常明顯的弊端，主要表現(xiàn)為加工相同工件時(shí)所使用的刀具難以重復(fù)使用，人們需要通過(guò)增加刀具數(shù)量實(shí)現(xiàn)重復(fù)加工，這會(huì)直接降低刀具利用率。

4.2 隨機(jī)選刀

隨機(jī)選刀是將刀庫(kù)中的所有刀具編碼，在實(shí)際加工過(guò)程中只需要根據(jù)編碼選擇刀具即可。隨機(jī)選刀的選擇方式主要有計(jì)算機(jī)記憶選擇、編碼選擇等。

計(jì)算機(jī)記憶選擇是利用軟件選刀，替代以往的人工選刀模式，能有效提升選刀的質(zhì)量與效率。刀庫(kù)可以隨意交換刀具和主軸，以便實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀。主軸要根據(jù)刀具數(shù)量設(shè)置換刀模式，之后將其存儲(chǔ)在PLC中。需要注意的是，刀庫(kù)位置與刀具編號(hào)要保持一一對(duì)應(yīng)。利用軟件選刀，能夠避免刀具位置發(fā)生錯(cuò)誤，提升刀具選擇的可靠性與合理性[19]。例如，當(dāng)?shù)稁?kù)擁有40把刀具時(shí)，對(duì)刀具從1到40進(jìn)行編號(hào)，其在計(jì)算機(jī)中的地址則是TAB+1到TAB+40，如表1所示。此時(shí)，如果將刀具隨意放置，那么計(jì)算機(jī)只需要根據(jù)具體的編號(hào)選擇刀具即可，刀具便能夠被正確選擇，而刀具在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中便被虛擬地址取替。事實(shí)上，計(jì)算機(jī)主要借助編程指令選擇刀具。系統(tǒng)收到指令，便會(huì)自動(dòng)選擇刀具，同時(shí)檢索刀具編號(hào)。從PLC內(nèi)部來(lái)看，計(jì)數(shù)器通常都會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)轉(zhuǎn)換，當(dāng)?shù)毒邘?kù)正轉(zhuǎn)刀位時(shí)，PLC計(jì)數(shù)器讀數(shù)將會(huì)不斷增加，而逆轉(zhuǎn)則會(huì)減少。系統(tǒng)內(nèi)部還會(huì)掃描刀座號(hào)與刀具編號(hào)，當(dāng)兩者相契合時(shí)，刀具庫(kù)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)便可以從中選擇需要的刀具;如果兩者沒(méi)有契合，那么刀庫(kù)便會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到找出最為契合的刀座。

5 結(jié)論

刀具控制是保障加工中心正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，研究人員需要給予高度重視。以往加工中心的控制主要利用繼電器，然而繼電器具有明顯的不足，這使得人們開(kāi)始利用PLC對(duì)加工中心控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便獲得更好的控制效果。當(dāng)前，人們要充分發(fā)揮PLC的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)傳統(tǒng)加工中心的優(yōu)化升級(jí)，有效保障換刀系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王蕊，張孝元，高昆.基于PLC的刀庫(kù)自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（13）：110-111.

[2]秦曉陽(yáng).基于VMCH850數(shù)控加工中心斗笠式刀庫(kù)電氣控制優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018（3）：144-146.

[3]潘曉貝.基于PLC在HNC-818加工中心換刀故障的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2018（5）：111-112.

[4]許粵川.基于PLC的加工中心控制設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2015（15）：95-96.

[5]吉萍萍.西門(mén)子840D加工中心PLC控制系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)[J].商品與質(zhì)量，2016（8）：84-85.

[6]劉春梅.高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2020（4）：77-78.

[7]楊林，周亞雄，李波波，等.FANUC31IB串聯(lián)控制在重型龍門(mén)加工中心上的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2018（1）：226-229.

[8]劉基強(qiáng)，張改麗，黃姣英，等.基于改進(jìn)FMECA與故障傳播模型結(jié)合的中子單粒子故障源定位分析[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2020（8）：32-36.

[9]施蘇俊，嚴(yán)帥.加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)組合式換刀控制方式的研究[J].裝備制造技術(shù)，2018（9）：141-144.

[10]范晉偉，薛良良，潘日，等.基于FMECA與FTA的數(shù)控磨床冷卻系統(tǒng)可靠性分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2020（8）：45-48.

[11]李偉，辛志宏，馮莉，等.省級(jí)農(nóng)產(chǎn)品加工貯藏與質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)探索：以南京農(nóng)業(yè)大學(xué)為例[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2020（14）：108-109.

[12]郭畢明.FMECA分析方法在機(jī)車空調(diào)修程優(yōu)化中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（13）：142-143.

[13]葉凱，蔡沖，陸兆鵬.基于模糊FMECA的克令吊可靠性分析[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師，2020（4）：23-28.

[14]王旭巖，樊茜琪.基于FMECA法的城市軌道交通車輛故障重要度分析[J].城市軌道交通研究，2020（7）：121-124.

[15]方昱璋，張曉梅，張海文.基于TSK型遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加工中心雙直線電機(jī)交叉耦合同步控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020（18）：7318-7322.

[16]楊錦斌.高速精密加工中心進(jìn)給系統(tǒng)并聯(lián)恒溫控制裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造，2020（6）：62-65.

[17]潘建欣，何書(shū)默，肖敏，等.基于FMECA方法的車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2020（3）：786-791.

[18]褚易凡.基于FMECA城軌列車轉(zhuǎn)向架的可靠性分析[D].青島：青島理工大學(xué)，2020：22-23.

[19]喬君超.WH-5A3型加工中心控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2020：19.