倪朝陽 李彥鑌 王忠峰 劉義卿 劉增璽 姜孝杰

（淄柴動力有限公司，淄博 255000）

很多老舊機床可以利用原有床身實現(xiàn)機床的再利用。二十世紀七八十年代生產(chǎn)的普通機床剛性普遍較好，完全可以通過電氣部分改造和機械結(jié)構的改進重新具有使用價值，因此機床改造市場空間很大。老舊機床普遍存在跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，設備故障率高，使用成本高，加工的產(chǎn)品質(zhì)量差，導致企業(yè)缺乏競爭力，直接影響企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益、發(fā)展和生存[1]。

當前，我國的機械制造水平和發(fā)達國家相比還有較大差距，而機械行業(yè)逐步增加數(shù)控化機床占比是大勢所趨。通過研究專機的傳動方式和進給形式，將液壓系統(tǒng)改造成“電機+減速機+絲杠”傳動，并利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）簡化機床配電箱內(nèi)部的電路，按照操作者的使用習慣編寫梯形圖。經(jīng)過多次重復試驗，改造方案效果良好。

1 應用前提

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由電機、液壓泵、電磁閥、換向閥、液壓缸以及油箱等組成。工作臺的往復運動是由液壓系統(tǒng)控制油缸的往復運動實現(xiàn)的。根據(jù)加工要求，液壓泵始終處在工作狀態(tài)，容易造成油泵發(fā)熱、油溫迅速升高。油溫過高和油溫過低都會影響工作臺的移動速度，影響加工效率。

1.2 電氣結(jié)構

機床的配電箱通過控制面板上的按鈕進行人工操作，依靠電箱內(nèi)的接觸器、繼電器、定時器等原始電氣部件進行驅(qū)動。機床電器元件老化，自動化程度低，很容易出現(xiàn)設備故障。

1.3 設備運行狀態(tài)

機床原進給系統(tǒng)采用液壓站作為工作臺進給動力，機床周邊經(jīng)常出現(xiàn)油污。隨著機床使用時間的增加，機床進給部分維修頻率較高。此外，液壓系統(tǒng)受季節(jié)變化影響明顯。冬季油溫低，夏季油溫低，工作效率都會受影響。進給速度的變化會導致機床的進給量不一致，造成加工的工件表面光潔度不一致而出現(xiàn)超差。液壓油的更換周期為3 ～4 年，且抗磨液壓油更換一次的費用很高[2]。伺服電機、行星齒輪減速機等一些高精密部件的出現(xiàn)，完全可以將液壓系統(tǒng)替換成伺服電機驅(qū)動。

2 應用設計過程

2.1 機械部分設計

機械部分設計是PLC 電氣改造的基礎。機械部分的流暢運轉(zhuǎn)是電氣控制的前提。機床原傳動系統(tǒng)過于老化，單純進行PLC 改造不能起到最佳效果。因此，在PLC 改造應用前，要對機床機械部分進行重新設計和改造。

為保障機床的加工精度，此次專機改造把工作臺驅(qū)動部分設計成“伺服電機+減速機+滾珠絲杠”，拆除機床原有的液壓缸、油泵等，簡化機械機構，為機床PLC 改造應用提供便利。

圖1為機械改造部分結(jié)構圖，主要包含伺服電機、減速機、滾珠絲杠、絲母、軸承座以及前后絲杠軸承等。減速機通過法蘭盤固定在設備床身上。絲杠兩端的支撐底座經(jīng)加工后找平，調(diào)整兩端底座，將絲杠的直線度調(diào)整在0.02 mm 以內(nèi)，減少絲母往復運動的阻力。

圖1 機械結(jié)構改造簡圖

2.2 電氣部分設計

電氣部分設計是機床進給系統(tǒng)改造應用最重要、最關鍵的部分。根據(jù)機床原有圖紙的線路圖和觸點對繼電器線圈的控制情況，繪制相應的等效梯形電路圖。在繪制梯形電路圖時，要注意將并聯(lián)電路中單個觸點設置在電路塊下方，在串聯(lián)電路中單個觸點要設置在電路塊的右方[3]。

PLC 程序設計的方法和形式很多，要求較高。編制人員不僅要熟悉梯形圖的編程語言，還要熟悉專機控制的各種順序環(huán)節(jié)。比較復雜的控制流程，導致設計周期較長。目前，大部分PLC 編程軟件可以用流程圖編制，便于順序控制系統(tǒng)的編程。將輸入/輸出（Input/Output，I/O）所有輸出線圈全部一次性列在梯形圖的右母線上，可有效防止雙線圈輸出錯誤。設置各個輸出線圈的觸發(fā)（執(zhí)行）條件，將觸發(fā)常開和常閉的輸入點連接到左母線和線圈之間。需要具體分析觸發(fā)的情況和屬于多點共同觸發(fā)作用時，要采用串聯(lián)方式連接每個接點。多路信號都能獨立觸發(fā)時，要采用并聯(lián)方式連接各接點[4]。最后，要根據(jù)輸入接點的情況，按照專機要求的動作加入一些“自保持”程序。

2.2.1 邏輯控制程序編寫步驟

第一，編寫機床控制系統(tǒng)的邏輯代數(shù)式，同時簡化邏輯。第二，進行I/O 分配，編制I/O 分配表。選擇PLC 機型，繪制專機的I/O 端的接線圖。第三，寫出對應的PLC 控制邏輯式，需要對照檢查并進行適當修改。第四，繪制對應的PLC 梯形圖。第五，程序內(nèi)部進行測試。第六，裝載到PLC 中進行實測。

結(jié)合機床的實際輸入和輸出情況，本次需要的輸入點為6 個，輸出點為8 個。為確保機床有充足的輸入點和輸出點，同時為后期繼續(xù)改造提供控制點，本次選擇16 個I/O 點的PLC。當前，國內(nèi)的PLC 發(fā)展較快，溢價率較低，性價比高，各項功能簡單，易于上手，最終選擇國產(chǎn)PLC 品牌。圖2 提供了此次PLC 邏輯控制的編寫樣式。

圖2 PLC 邏輯控制

圖2只顯示了PLC 邏輯控制的部分設計。PLC梯形圖中的編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器以及內(nèi)部輔助繼電器等。每一個軟繼電器與PLC 存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應。增加K 參數(shù)，可隨時設計暫停時間和啟動時間。同時，根據(jù)專機的加工特點給操作者預留足夠的操作時間，以隨時設置PLC 參數(shù)，降低電箱內(nèi)部的結(jié)構復雜度。

圖3中的K 參數(shù)代表的是機床邏輯之間的時間間隔。通過修改此參數(shù)可以控制機床的暫停時間，使一個軟繼電器可以代替一個時間繼電器硬件。Y000 代表伺服驅(qū)動器的脈沖信號，Y001 代表工作臺的運動方向，這兩個信號的改變可以代替液壓換向閥的使用[5]。

圖3 PLC 內(nèi)部參數(shù)修改

2.2.2 PLC 程序測試、修改

PLC 程序的測試上傳需要用到數(shù)據(jù)線和計算機。用數(shù)據(jù)線將PLC 硬件和計算機相連接，通過查看計算機連接口設置PLC 的連接接口。計算機COM 號和編程軟件COM 號設置相同，是通信成功的關鍵。設置方式如圖4 和圖5 所示。

圖4 計算機COM 號

圖5 編程軟件COM 號

連接完成后需進行程序的上傳測試。PLC 上傳或者下載時要注意保存源文件，避免錯誤操作導致源文件丟失。程序下載入口如圖6 所示。

圖6 程序下載入口

PLC 程序的上傳測試是整個方案應用設計工作中的一項重要內(nèi)容，可以初步檢查程序的實際效果。程序上傳測試和程序的編寫是分不開的。程序的很多功能需要在最后的實際專機測試中通過修改完善。

編寫梯形圖時需要注意，PLC 模塊中輸入的距離以毫米為單位，伺服驅(qū)動器根據(jù)脈沖數(shù)量控制電機的運轉(zhuǎn)速度。PLC 控制伺服電機的定位精度最高為0.001 mm，遠高于純機械傳動的機床定位。PLC 定位模塊控制和伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)屬于半閉環(huán)控制系統(tǒng)，穩(wěn)定性很高。

3 應用成果

3.1 減少了占用面積

此次改造去掉液壓站、油泵以及油管，使機床占用面積減小了2 m2，同時增加了機床的基本功能。

3.2 降低了能源消耗

伺服電機相比于液壓站油缸來說，機床能耗降低了20%，解決了機床的跑、冒、滴、漏問題，節(jié)能又環(huán)保。

3.3 提高了生產(chǎn)效率

伺服電機通過伺服驅(qū)動器控制，在改變進給量的同時不會降低扭矩，同時完全可以控制加工節(jié)拍，在滿足加工表面質(zhì)量的同時提高生產(chǎn)效率。機床加工節(jié)拍從30 min/件提高至20 min/件，時間縮短了1/3。

3.4 減少了后期維護

機床的邏輯控制省去了電箱內(nèi)部的很多控制元件，簡化了線路，降低了故障率，同時便于維修人員后期維修。

4 結(jié)語

隨著智能制造的不斷發(fā)展，機床的智能化應用會大大推動自動化與網(wǎng)絡技術的密切結(jié)合。制造業(yè)正處于由大變強的進程中，PLC 技術將大有可為。專機PLC 改造技術應用的過程中，機床運行平穩(wěn)，為提高零部件加工產(chǎn)量打下了基礎，既節(jié)省了費用，又提高了生產(chǎn)效率。