何士林

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

在我國(guó)產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展的過(guò)程中，機(jī)床是汽車(chē)、機(jī)械生產(chǎn)以及軍工行業(yè)的主要工具，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系中占有重要地位。而PLC 作為一種可編程控制裝置，是機(jī)床的核心器件之一。PLC 具有抗干擾性，運(yùn)行可靠，由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成，可大幅度提高故障維修準(zhǔn)確率和維修效率，在數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中加入PLC技術(shù)，從而增加系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的高精度控制，減少人工成本的投入，更加精準(zhǔn)、快速地完成任務(wù)，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，可以進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)數(shù)控機(jī)床朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。

1 PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床電氣控制中的應(yīng)用分析

1.1 對(duì)PLC的分析

PLC 作為一種可編程裝置，其處理器非常復(fù)雜，CPU、電源、儲(chǔ)存器、輸入單元和輸出單元是它的基本單元。其中，CPU 是計(jì)算設(shè)備的核心組件，用于邏輯運(yùn)算，相關(guān)數(shù)據(jù)由存儲(chǔ)器儲(chǔ)存到PLC 中。電源是向PLC 設(shè)備供電、保證PLC 正確運(yùn)行的結(jié)構(gòu)部件。外部或內(nèi)部的信號(hào)由輸入單元接收，主要由輸出單元發(fā)出相應(yīng)指令來(lái)控制相關(guān)的設(shè)備。PLC 控制的關(guān)鍵是編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)明、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，在現(xiàn)代化工業(yè)運(yùn)用中的實(shí)用性強(qiáng)[1]。將PLC 技術(shù)運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床電氣控制，可以提高機(jī)床的準(zhǔn)確性、智能性以及自動(dòng)化水平，同時(shí)也可以根據(jù)被控對(duì)象進(jìn)行輸入和輸出的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高精度控制，全面推進(jìn)工業(yè)的智能化和自動(dòng)化。

1.2 對(duì)伺服系統(tǒng)的分析

伺服系統(tǒng)也稱(chēng)為隨動(dòng)系統(tǒng)，是指被控量為位移、速度和加速度的反饋控制系統(tǒng)，最初用于國(guó)防軍工、航空航天、船舶等領(lǐng)域，但隨著科技的不斷進(jìn)步和社會(huì)的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)也逐漸運(yùn)用到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多方面，如數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)器人控制等。其具有快速響應(yīng)、穩(wěn)定性好、柔性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有超調(diào)和低速大轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍寬，可以使我國(guó)工業(yè)朝智能化、綠色化、高精度方向發(fā)展。

1.3 對(duì)數(shù)控機(jī)床的分析

數(shù)控機(jī)床（全稱(chēng)為數(shù)字控制機(jī)床）是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床。它分為四大系統(tǒng)，分別是控制系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床根據(jù)計(jì)算機(jī)的程序編程控制，經(jīng)過(guò)一系列數(shù)控運(yùn)算分析，將編好的數(shù)字、文字、符號(hào)等程序指令，經(jīng)過(guò)配備好的接口和伺服控制裝備，按要求將要加工的零件自動(dòng)加工出來(lái)。對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有著更高的精度，可以進(jìn)行更復(fù)雜的加工步驟，加工效率更高，人力投入成本也更少[2]。

2 PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床電氣控制中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)西門(mén)子S7-1200 系列PLC 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的點(diǎn)到點(diǎn)移動(dòng)，機(jī)床接收到PLC的輸出信號(hào)后，通過(guò)伺服系統(tǒng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行的功能，同時(shí)還具有手動(dòng)加工和自動(dòng)加工的功能。

整個(gè)系統(tǒng)將建立一個(gè)模塊化控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)按鍵的控制讓機(jī)床啟動(dòng)。整體控制是對(duì)機(jī)床進(jìn)行集中控制的同時(shí)提高效率，機(jī)床上單獨(dú)的加工器件也可以單獨(dú)成為一個(gè)子系統(tǒng)，能夠受到相應(yīng)的控制并獨(dú)立應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。同時(shí)，機(jī)床上的各個(gè)器件互相影響，在機(jī)床運(yùn)行的過(guò)程中，若一個(gè)器件出現(xiàn)緊急狀況需要停止，則機(jī)床上所有器件都要停止。PLC 技術(shù)在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中的總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)流程圖

手動(dòng)加工要求：通過(guò)數(shù)控機(jī)床的顯示屏可以觀測(cè)到機(jī)床上的各種參數(shù)，從而確定機(jī)床的安全狀況和加工位置的定位。

自動(dòng)加工要求：通過(guò)輸入的程序來(lái)對(duì)機(jī)床進(jìn)行校驗(yàn)，調(diào)整機(jī)床的加工狀態(tài)。首先按下啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)機(jī)床上伺服、加工設(shè)備的運(yùn)動(dòng)指令，然后根據(jù)設(shè)定好的程序來(lái)進(jìn)行加工，同時(shí)也可以在顯示屏上觀測(cè)到相對(duì)應(yīng)的加工數(shù)據(jù)。

主電路圖和系統(tǒng)的整體接線圖分別如圖2、圖3所示，由電網(wǎng)進(jìn)380 V交流電，先接入隔離開(kāi)關(guān)，控制機(jī)床的總電源，在總電源上電后方可操縱數(shù)控機(jī)床，K1是交流伺服驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)，K10 是直流驅(qū)動(dòng)器的電源開(kāi)關(guān)，K11 是步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的電源開(kāi)關(guān)。此外，還應(yīng)在各支路上安裝熔斷器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)元器件的保護(hù)。

圖3 系統(tǒng)的整體接線圖

2.2 西門(mén)子S7-1200系列PLC控制流程

PLC 控制分為3 個(gè)環(huán)節(jié)，第一個(gè)環(huán)節(jié)是輸入處理。將輸入信息進(jìn)行掃描采樣，把得到的信息在寄存器中儲(chǔ)存起來(lái)，完成采樣后進(jìn)入下一步的程序處理階段。在采樣結(jié)束進(jìn)入下一次掃描周期前，寄存器中的信息與外界相互隔離，不會(huì)發(fā)生變化，等到了下一個(gè)掃描周期時(shí)才能再次被讀寫(xiě)[2]。第二個(gè)環(huán)節(jié)是程序執(zhí)行。在程序執(zhí)行階段，PLC 系統(tǒng)依次掃描信息，先掃描梯形圖中多個(gè)觸點(diǎn)控制的控制線路，然后根據(jù)程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，在內(nèi)部處理器中刷新線圈以控制相對(duì)狀態(tài)，最后將運(yùn)算結(jié)果儲(chǔ)存到輸出的寄存器中。第三個(gè)環(huán)節(jié)是輸出處理。輸出階段是所有程序全部執(zhí)行完畢后，集中將輸出寄存器中的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成實(shí)際控制所需要的電壓、電流，使得輸出端能夠?qū)ν饨绨l(fā)出控制信號(hào)，然后通過(guò)相對(duì)應(yīng)的外部電路驅(qū)動(dòng)設(shè)備，有效驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備，最后實(shí)現(xiàn)PLC 控制[3]，I/O 分配表（部分）如表1 所示。

表1 部分I/O分配表

2.3 PLC控制數(shù)控機(jī)床的具體實(shí)現(xiàn)

在數(shù)控機(jī)床中，PLC 主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運(yùn)行和加工過(guò)程。PLC可以對(duì)操作者通過(guò)人機(jī)界面輸入的加工參數(shù)進(jìn)行掃描接收，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后，控制數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)、步進(jìn)系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工[4]。

在具體實(shí)現(xiàn)上，PLC 需要根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)編寫(xiě)相應(yīng)的程序，對(duì)機(jī)床的各個(gè)執(zhí)行工件進(jìn)行控制。例如，在車(chē)削加工過(guò)程中，PLC 可以控制刀架的移動(dòng)和方向，并進(jìn)行自動(dòng)切換刀具等操作。在銑削加工過(guò)程中，PLC 可以控制銑頭的旋轉(zhuǎn)角度和速度，從而實(shí)現(xiàn)不同形狀的零件加工。PLC 對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制也要實(shí)現(xiàn)不同的功能，要加入不同的加工操作模塊，如裝備保護(hù)模塊、手動(dòng)加工模塊、自動(dòng)加工模塊。裝備保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的保護(hù)和發(fā)出警報(bào)，包括斷電保護(hù)、掉電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)等，以保證操作人員的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全；手動(dòng)加工模塊實(shí)現(xiàn)操作者在加工過(guò)程中手動(dòng)修改各個(gè)器件的參數(shù)，以提高效率；自動(dòng)加工模塊可實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中由設(shè)備自動(dòng)循環(huán)加工。通過(guò)這樣的方式，PLC 可以實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的數(shù)控機(jī)床控制。

2.4 PLC對(duì)伺服電機(jī)的控制

PLC 控制伺服系統(tǒng)時(shí)一般通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)。具體而言，PLC 可以使用計(jì)數(shù)器模塊或者計(jì)時(shí)器模塊來(lái)記錄伺服系統(tǒng)接收到的脈沖信號(hào)次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、速度等參數(shù)的精確控制。在程序設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)伺服系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)和運(yùn)動(dòng)要求確定脈沖數(shù)的計(jì)算公式，并結(jié)合計(jì)數(shù)器或計(jì)時(shí)器模塊進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。伺服電機(jī)相較于普通的電機(jī)來(lái)說(shuō)，定位更加精確，通常所說(shuō)的伺服控制，其實(shí)就是對(duì)伺服電機(jī)的位置控制。伺服電機(jī)最主要的應(yīng)用還是定位控制，定位控制時(shí)有兩個(gè)物理量需要控制，即速度和位置，確切地說(shuō)，就是控制伺服電機(jī)以多快的速度到達(dá)什么地方并準(zhǔn)確地停下。伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)接收的脈沖頻率和數(shù)量來(lái)控制伺服電機(jī)運(yùn)行的距離和速度。設(shè)定伺服電機(jī)每10 000 個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈，如果PLC 在1 min內(nèi)發(fā)送10 000個(gè)脈沖，那么伺服電機(jī)就以1 r/min的速度走完一圈；如果在1 s 內(nèi)發(fā)送10 000 個(gè)脈沖，那么伺服電機(jī)就以60 r/min 的速度走完一圈。所以，PLC 是通過(guò)控制發(fā)送的脈沖來(lái)控制伺服電機(jī)的，用物理方式發(fā)送脈沖，使用PLC 的晶體管輸出是最常用的方式。

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)伺服系統(tǒng)有如下幾個(gè)要求：1）擁有良好的穩(wěn)定性能；2）擁有良好的動(dòng)態(tài)性能。綜合考慮后，本研究中數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)應(yīng)采用半閉環(huán)控制，相較于開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)有位置反饋，能夠在一定程度上保持位置的精準(zhǔn)度，而與全閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，可以降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

伺服系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)軸的角位移是由伺服電機(jī)接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化而來(lái)的。然后根據(jù)指令來(lái)進(jìn)行對(duì)電機(jī)的控制，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)加速、減速、勻速等，并與實(shí)際的指令脈沖數(shù)相比較，從而準(zhǔn)確控制被控對(duì)象。

3 PLC技術(shù)控制的數(shù)控機(jī)床的維修和調(diào)試

3.1 PLC技術(shù)控制的數(shù)控機(jī)床的維修

PLC 技術(shù)在數(shù)控機(jī)床的維修中占有重要的比例，在數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，技術(shù)維修人員可以對(duì)PLC梯形圖中的項(xiàng)目視圖進(jìn)行直接的觀察，了解PLC 的I/O口狀況，從而確定是軟件問(wèn)題還是硬件問(wèn)題。若是硬件故障問(wèn)題，可以先確定是機(jī)床的哪個(gè)設(shè)備出現(xiàn)了問(wèn)題，然后根據(jù)各個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)，采取針對(duì)性的改進(jìn)維修措施，從而提高維修效率，降低維修成本[5]。

3.2 PLC技術(shù)控制的數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

PLC 在下載到設(shè)備前應(yīng)先對(duì)PLC 程序進(jìn)行調(diào)試，對(duì)所編寫(xiě)的PLC 程序進(jìn)行編譯，要確保每個(gè)功能模塊都達(dá)到了0警告、0錯(cuò)誤的標(biāo)準(zhǔn)。

PLC 安裝完成后，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，直至驗(yàn)收完成。根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)將軟件控制系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，在檢測(cè)點(diǎn)安裝檢測(cè)儀器，通過(guò)實(shí)際控制，現(xiàn)場(chǎng)觀察設(shè)備運(yùn)行狀況。調(diào)試過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)參考說(shuō)明書(shū)，核對(duì)接線是否正確，是否存在虛接、壓皮、錯(cuò)接現(xiàn)象，是否出現(xiàn)接點(diǎn)松動(dòng)、線圈插槽松動(dòng)等現(xiàn)象，并用萬(wàn)用表來(lái)對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)看是否導(dǎo)通，在沒(méi)有用到輸入輸出接口時(shí)，檢測(cè)是否與其他線路短接，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作條件和設(shè)備操作人員的要求，對(duì)程序進(jìn)行配置和修改，直至系統(tǒng)運(yùn)行效果良好[6-10]。

4 結(jié)論

隨著人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，用PLC技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制也會(huì)有以下幾種趨勢(shì)：

1）智能化。未來(lái)的PLC 控制系統(tǒng)將具有更強(qiáng)大的人工智能性，能根據(jù)不同的生產(chǎn)要求智能控制機(jī)床運(yùn)行，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。2）互聯(lián)網(wǎng)化。用PLC 技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制將與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，形成更加智能的產(chǎn)業(yè)線，產(chǎn)業(yè)線上的設(shè)備可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的共享和分析，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。3）開(kāi)放性。未來(lái)的PLC 控制系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越開(kāi)放，能夠適配各種硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)，并具備較高的兼容性和可擴(kuò)展性。

總之，用PLC 技術(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制具有很強(qiáng)的可行性，可大大降低人工成本和物料成本，有利于我國(guó)實(shí)現(xiàn)科技興國(guó)、科技強(qiáng)國(guó)。