基于PLC技术的机床控制应用

2012-11-25曾葵

制造业自动化 2012年19期

关键词：滑台原位机床

曾葵

（四川建筑职业技术学院，德阳 618000）

基于PLC技术的机床控制应用

曾葵

（四川建筑职业技术学院，德阳 618000）

0 引言

在机床加工实践中，组合机床由于采取多轴、多刀、多面和多工位加工方式，使得其在生产效率方面与常规机床相比较而言，有明显提升。当前组合机床的零部件已经实现了标准化及系列化生产，可以按照实际需求选择配置，设计及制造时间得到有效控制，所以，组合机床不但效率高，而且成本低，在实践中的应用范围越来越广。传统组合机床对加工过程的控制主要是借助继电器逻辑线路实现的，故障发生率较高，对生产效率造成不利影响。

1 理论概述

1.1 PLC结构及工作原理

PLC，即可编程逻辑控制器，主要涉及到中央处理器、输出及输入单元、储存器、通信接口、扩展接口以及电源等部件。其中，可编程逻辑控制器的核心部件为中央处理器，在输入、输出设备以及中央处理器之间连接有输入单元以及输出单元，与外部设置（例如编程器）以及上位计算机等的连接则是通过通信接口实现的[1]。以各部件连接方式为主要依据，可以将可编程逻辑控制器划分为整体式以及模块式两种类型。其中，整体式PLC是将全部零部件集中安装于一个机壳中，而模块式PLC则是对不同的零部件进行独立封装之后，将其安装在导轨或者是机架上，再借助总线实现相互间的连接。

可编程逻辑控制器几大关键硬件主要有中央处理器、电源、存储器、I/O接口电路以及通信接口[2]，其中最为关键的硬件就是中央处理单元。中央处理单元控制着相关运算以及整个系统，对编程器、外设接口、I/O扩展接口以及I/O接口等的控制主要是借助地址总线、控制总线以及数据总线等实现的[3]。可编程逻辑控制器对系统工作进行指挥的主要依据是系统程序，在每个扫描周期中需要进行输入处理、程序执行、输出处理等工作，此外还需要对相关外部设备发出的工作请求进行处理[4]。电源的主要作用是对外部输入的交流电进行整流、滤波以及稳压等处理，进而得到可编程逻辑控制器内部工作所支持的直流电源电路或者是电源模块，对于系统的有效运行而言，电源发挥着不容忽视的关键作用。通常情况下，如果交流电压的波动幅度不超过10%，便可以直接将可编程逻辑控制器与交流电网进行连接。存储器包括用户程序存储器以及功能存储器两部分[5]，前者的主要作用是对用户借助编程器输入的相关程序进行保存，后者的主要作用是对用户数据进行保存。I/O接口电路主要包括光耦合电路以及微机的输入接口电路两部分，其主要作用是充当连接可编程逻辑控制器和现场输入及输出设备的接口或模块；输出接口电路的主要作用是向输出端执行元件传输经过中央处理单元处理的输出信号。通信接口的主要作用是支持与打印机或者是监视器等相关设备的连接，以确保相应功能的有效实现。

PLC的基本工作原理： PLC正常工作过程大致可以划分为输入采样、用户程序执行以及输出刷新等三大阶段，此三个阶段构成一个扫描周期。在PLC的运行过程中，其中央处理单元可以按照既定的速度对该三阶段进行重复执行。输入采样阶段，主要是对输入映像区进行建立及更新。通过扫描，可编程逻辑控制器对全部的输入状态以及相关数据进行读取，之后在I/O映像区对应的单元中对所读取的结果进行保存。完成输入采样操作之后，便进入到用户程序执行阶段以及输出刷新阶段，在这两个阶段中，即便是改变输入状态以及相关数据，I/O映像区中对应单元的状态及数据也是保持不变的，并不会随之发生变动。将输入端口关闭之后便进入程序执行阶段。用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器对用户程序进行扫描是按照从上到下、由左至右的顺序进行的，在对各条梯形图进行扫描的过程中，首先会对位于梯形图左部的有所有触点所组成的控制线路进行扫描，同时开展控制线路逻辑运算，之后以所得到的逻辑运算结果为主要依据，对系统RAM存储区中逻辑线圈向对应的状态进行刷新，并在元件映像区中输入所获得的相关结果。输出刷新阶段，中央处理单元对相关的输出锁存电路进行刷新操作的主要依据是I/O映像区中所对应的状态以及数据，在此基础之上借助输出电路对对应的外设进行驱动。如果逻辑变量在一个完整的扫描周期中并未发生任何状态上的改变，该周期所输出的信息就与上一周期输出的周期之间就没有任何区别，从而相对应的元件状态也会保持不变[6]。

1.2 组合机床工作原理及流程

以功能为主要依据，可以将通用部件划分为动力部件、支撑部件、输送部件、控制部件以及辅助部件等类型。其中动力部件主要包括动力箱、动力滑台以及切削头，其主要作用是向组合机床提供主运动以及进给运动。实践中比较常见的机床主要包括床身、中间工件夹紧装置、左右工位滑台、左右动力系统、冷却排屑系统以及液压系统等。主电路由四台电机构成，其中，油泵主要作用是向左右工作台提供动力，使其可以顺利实现前进、后退以及工件夹紧操作；左、右动力头电机主要负责切削及加工；冷却泵在自动工作状态下，首先将液压油泵启动，对总原位进行确认之后，依次进行人工上料、工件夹紧，左右工位滑台前进，并启动冷却泵，在完成加工程序之后，主轴延时旋转也会随即停止，当滑台以及工位均退至原位之后，工件将会自动松开，一个循环过程随即结束。

按照机床加工需求以及工艺要求，第一步要对机床工作状态进行确认，机床主要有自动、半自动、自动循环以及循环次数设定等四种工作状态；第二步就是选择加工方式，先将开始键按下，对机床进行自动调整，若存在故障也可以手动调整，机床原位复位确认之后，夹紧工件，循环加工开始，左右滑台以及工件前进，工件加工结束之后，滑台延时后退，当滑台位于原位之后，并且左右两滑台都退到原位后，工件松开，循环过程结束。以事先所设定的循环次数为主要依据，随即进入到下一个循环过程，如此反复，直至完成工件加工过程。

2 基于PLC的机床控制应用分析

2.1 组合机床中PLC的应用情况

可编程逻辑控制器的主要优点有：编程简单、便于使用、安全可靠，并且具有强大的控制功能，当前在机床工业生产中的应用范围不断扩大。于机床而言，机床自身对精准度以及可靠性发挥着决定性作用，但是，所选择的控制系统在很大程度上影响着机床的精准度以及可靠性，尤其是对于提升生产效率作用更为显著。

2.2 PLC控制系统分析及设计

本文选择日本三菱公司研发的F1系列可编程逻辑控制器进行分析。按照系统工作流程，在机床工作时，电磁阀控制着滑台的移动以及工件的夹紧，其中，左滑台的前进由Y1控制，后退由Y2控制，右滑台的前进及后退则分别由Y3和Y4掌握，工件的夹紧及张开则分别由Y5和Y6控制。当工件夹紧时，压力继电器处于吸合状态，在工件夹紧得到确认之后，才可以前后移动左右两个滑轮。在进行加工作业的时候，将系统压力降低至设置的压力值，KA1将处于断开状态，此时，滑台以及动力头的工作随即停止，以避免出现工件飞出事故，造成人身伤亡。

2.2.1 确定输入及输出点数

可编程逻辑控制器I/O通道分配的主要依据为控制对象，即满足生产机械作业过程及生产工艺需求的控制元件，比较常见的有继电器以及开关按钮等，通常情况下不涉及诸如接触器等容量较大的执行元件。一般而言，为确保达到更高的效率，需要在满足控制需求的基础之上，尽可能的控制可编程逻辑控制器的硬件连线数量，所以，就需要对输入及输出接口点数，也就是I/O点数进行适当的控制。通过减少I/O点数，一方面有助于实现对可编程逻辑控制器成本的有效控制，另一方面，还可以保留必要的可编程逻辑控制器输入及输出空间，为之后进行功能升级奠定基础。

2.2.2 程序设计

对可编程逻辑控制器程序进行编制，要确保在调试设备的过程中可以方便地修改程序。结合系统的具体要求，将机床控制划分为自动加工状态以及调整状态两部分。其中，自动加工状态主要适用于常规的切削加工情况，而调整状态则主要适用于调整刀具以及调试机床等情况。当处于调整状态时，要想启动或停止油泵，只需要将X414断开，将SB2以及SB3两个按钮按下即可；要想夹紧或放松工件，则需要将SB4以及SB5两个按钮按下；掌握左滑台以及右滑台前进和后退的是SB6—SB9等几个按钮，动力头点动则由SB10和SB11控制，工件自动夹紧受SB12控制。在机床处于自动工作状态的情况下，首先要对滑台状态进行确认，如果滑台没有处于原位状态，需要将其调整至原位，并借助机床总原位指示灯对其进行确认；其次，通过对SA1按钮进行旋转，达到闭合X414的目的，确保机床自动运行；对工件进行安装，将SB12按钮及自动夹紧按钮按下，使电子阀处于工作状态，闭合压力继电器KA1以及X41，两个滑台共同前进，分别压到行程开关SQ3和SQ6，此时工件将前进，接通KM2以及KM3，左右动力头工作，执行切削操作，并接通KM4，启动冷却泵。系统特别安装了急停按钮，当遇到意外状态的时候，只要将SB1按钮按下，可编程逻辑控制器全部输出随即被停止，从而可以有效避免出现意外情况，确保运行安全性。