可編程序控制器在機床數控系統中應用探討
近年來，PLC在工業(yè)自動控制領域應用愈來愈廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現出的綜合優(yōu)勢是其它工控產品難以比擬的。隨著PLC技術的發(fā)展, 它在位置控制、過程控制、數據處理等方面的應用也越來越多。在機床的實際設計和生產過程中，為了提高數控機床加工的精度，對其定位控制裝置的選擇就顯得尤為重要。永宏FBs系列PLC的NC定位功能較其它PLC更精準，且程序的設計和調試相當方便。本文提出的是如何應用永宏PLC的NC定位控制實現機床數控系統控制功能的方法來滿足控制要求，在實際運行中是切實可行的。整機控制系統具有程序設計思路清晰、硬件電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價格比等顯著優(yōu)點，其軟硬件的設計思路可供工礦企業(yè)的相關數控機床設計改造借鑒。
2 數控機床組成結構及工作過程
本例數控機床由輸入、輸出裝置、數控裝置、可編程控制器、伺服系統、檢測反饋裝置和機床主機等組成。
輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計算機。在數控機床產生的初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現已趨于淘汰;目前，使用鍵盤、磁盤等，大大方便了信息輸入工作。輸出指輸出內部工作參數(含機床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數，故障診斷參數等)，一般在機床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數作記錄保存，待工作一段時間后，再將輸出與原始資料作比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。數控裝置是數控機床的核心與主導，完成所有加工數據的處理、計算工作，最終實現數控機床各功能的指揮工作。它包含微計算機的電路，各種接口電路、CRT顯示器等硬件及相應的軟件?？删幊炭刂破鲗χ鬏S單元實現控制，將程序中的轉速指令進行處理而控制主軸轉速;管理刀庫，進行自動刀具交換、選刀方式、刀具累計使用次數、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數等管理;控制主軸正反轉和停止、準停、切削液開關、卡盤夾緊松開、機械手取送刀等動作;還對機床外部開關(行程開關、壓力開關、溫控開關等)進行控制;對輸出信號(刀庫、機械手、回轉工作臺等)進行控制。檢測反饋裝置由檢測元件和相應的電路組成，主要是檢測速度和位移，并將信息反饋于數控裝置，實現閉環(huán)控制以保證數控機床加工精度。數控機床的工作過程如圖2所示。
圖2 數控機床的工作過程框圖
數控加工的準備過程較復雜，內容多，含對零件的結構認識、工藝分析、工藝方案的制訂、加工程序編制、選用工裝及使用方法等。機床的調整主要包括刀具命名、調入刀庫、工件安裝、對刀、測量刀位、機床各部位狀態(tài)等多項工作內容。程序調試主要是對程序本身的邏輯問題及其設計合理性進行檢查和調整。試切加工則是對零件加工設計方案進行動態(tài)下的考察，而整個過程均需在前一步實現后的結果評價后再作后一步工作。試切成功后方可對零件進行正式加工，并對加工后的零件進行結果檢測。前三步工作均為待機時間，為提高工作效率，希望待機時間越短越好，越有利于機床合理使用。該項指標直接影響對機床利用率的評價(即機床實動率)。
3 機床數控系統需要解決的幾個問題
機床是由機械和電氣兩部分組成，在設計總體方案時應從機電兩方面來考慮機床各種功能的實施方案，數控機床的機械要求和數控系統的功能都很復雜，所以更應機電溝通，揚長避短。機床控制系統選件、裝配、程序編制及操作都應該比較合理，精度和穩(wěn)定性都必須滿足使用要求。同時為便于調試和檢修，各項操作均設手動功能，如手動各軸快慢移動、主軸高低速旋轉、切削液及潤滑開關等。PLC按照邏輯條件進行順序動作或按照時序動作，另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行聯鎖保護動作的控制，PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進行順序控制的主要產品,在機床的電氣控制中應用也比較普遍。目前，可編程控制器(PLC)廣泛應用于數控機床等工業(yè)控制中。數控機床的控制部分可分為數字控制和順序控制兩部分，數字控制部分包括對各坐標軸位置的連續(xù)控制，而順序控制包括對主軸正/反轉和啟動/停止、換刀、卡盤夾緊和松開、冷卻、尾架、排屑等輔助動作的控制。現代數控機床采用PLC代替繼電器控制來完成邏輯控制，使數控機床結構更緊湊，功能更豐富，響應速度和可靠性大大提高。
在吸收國外先進技術的基礎上，小規(guī)格全功能CK160數控車床。該數控車床采用日本FANUC公司的POWERMATE0數控系統，配置全數字交流伺服裝置，主軸采用進口變頻器控制，數控系統內置PLC，功能指令強，使用方便、靈活、用戶易懂。
現以CK160為例，說明PLC在數控機床上的應用。
2車床的PLC數控系統控制原理設計
2.1車床的操作要求
車床一般加工回轉表面、螺紋等。要求其動作一般是X、Z向快進、工進、快退。加工過程中能進行自動、手動、車外圓與車螺紋等轉換;并且能進行中步操作。
2.2PLC數控系統需解決的問題
車床的操作過程比較復雜，而PLC一般只適用于動作的順序控制。要將PLC用于控制車床動作，必須解決三個問題：
1)如何產生驅動伺服機構的信號及X、Z向動作的協調;
2)如何改變進給系統速度;
3)車螺紋如何實現內聯系傳動及螺紋導程的變化。
將PLC及其控制模塊和相應的執(zhí)行元件組合，這些問題是可以解決的。
2.3數控系統的控制原理
普通車床數控化改造工作就是將刀架、X、Z向進給改為數控控制。根據改造特點，伺服元件采用步進電機，實行開環(huán)控制系統就能滿足要求。Z向脈沖當量取0.01mm,X向脈沖當量取0.005mm。選用晶體管輸出型的PLC驅動步進電機脈沖信號由編程產生，通過程序產生不同頻率脈沖實現變速。X、Z向動作可通過輸入手動操作或程序自動控制。車螺紋的脈沖信號由主軸脈沖發(fā)生器產生，通過與門電路接入PLC輸入端，經PLC程序變頻得到所需導程的脈沖。刀架轉位、車刀進、退可由手動或自動程序控制。
3數控機床改造的可行性
普通機床改造成數控機床是指對普通機床某些部位機械結構做一定的改造，加上數控裝置，從而使普通機床具有數控加工能力。
機床數控化改造主要內容有以下幾點：
其一是恢復原功能。對機床存在的故障部分進行診斷并恢復。
其二是NC化。在普通機床上加數顯裝置，或加數控系統，改造成NC機床、CNC機床。
其三是翻新。為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復原精度;對其不滿足生產要求的CNC系統以最新CNC進行更新。
其四是技術改造或技術創(chuàng)新。為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術，在原有基礎上進行較大規(guī)模的技術改造或技術創(chuàng)新。較大幅度地提高水平和檔次。
4可編程序控制器選型
根據D-U3710組合機床動作循環(huán)圖、技術特性，確定采用東芝EX系列可編程控制器。東芝EX系列可編程控制器與其他類型的可編程控制器相比，體積小，耗電量小，裝置時間短，耐大電流沖擊，可靠性極高，尤其是采用與眾不同的圖形液晶讀/寫程序編寫器，可以在其顯示器上監(jiān)視程序的編排、修改，一目了然，非常直觀。通過系統分析，D-3701組合機床的輸入點為24個、輸出點為19個，所以選用東芝EX系列可編程控制器的基木單元EX-40H+擴展單元EX20來完成。EX-40H+EX20的輸入點為36個、輸出點24個，大于系統所確定的I/O數，為此使用EX-40H+EX20是可行的。
在確定系統所需的I/O數后，還需進一步確定輸入量、輸出量的元件號，輸入/輸出繼電器的元件號與它們對應的I/O號所接的端子編號是一致的，做好這一步就為繪制硬件接線圖做好了準備。在此過程中應列一張地址分配表，標明各信號的名稱、代號和分配的元件號。如果需要還應列出信號的有效狀態(tài)，是上升沿有效還是下降沿有效，是高電平有效還是低電平有效等;對于開關量輸入信號還應列出是常開觸點還是常閉觸點，觸點在什么條件下接通或斷開。為輸入量、輸出量分配好元件號后，下一步就可設計出可編程序控制器的硬件接線圖以及其他電氣部分的原理圖、接線圖和安裝圖。
5PLC的工作過程
PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸人和輸出，控制各類機械的生產過程。
PLC的工作過程即是CPU對用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行的過程：對用戶程序的執(zhí)行主要按三個階段進行。
1)輸入采樣以掃描方式順序讀入所有輸入信號的狀態(tài)，并將此狀態(tài)存入輸入映象寄存器中。在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段中，輸入映象寄存器中的內容不會隨著實際信號變化而變化。
2)程序執(zhí)行階段程序執(zhí)行按從上到下、從左到右的順序對每條指令進行掃描，并從輸入映象寄存器中和輸出映象寄存器中讀取有關數據，然后進行相應運算，運算結果重新存入輸出映象寄存器中。
3)輸出刷新在所有指令執(zhí)行完后，輸出映象寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)(接通/斷開)在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅動外部負載。
6PLC與數控機床外部設備的信息交換
PLC、系統和機床三者之間的信息交換包括如下四部分：
1)機床至PLC
機床側的開關量信號通過PLC輸入接口送至PLC中，除了極少數信號外，絕大多數信號的含義及所占用PLC的地址(X地址)均可由PLC程序設計者自行定義。
2)PLC至機床
PLC控制機床的信號通過
可編程邏輯控制器(plc)在控制系統中得到了廣泛的應用，沒有可編程邏輯控制器，控制系統就像缺乏靈魂一樣。為了提高大家對可編程邏輯控制器的理解，本文將探討為什么可編程邏輯控制器可以取代繼電器控制技術。如果你對可編程邏輯控制器感興趣，可以繼續(xù)閱讀。
在工控自動化行業(yè)，可編程控制器(PLC)作為大部分自動化技術的設備基礎，也給工業(yè)控制系統產生了史無前例的前所未有的巨大改變。與傳統的繼電器工業(yè)控制系統相比，采用plc的工業(yè)控制系統在操作、控制、效率和精度等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。產業(yè)控制系統中使用的繼電器控制設備雖然沒有完全淘汰，但由于PLC的出現，產業(yè)控制設計者的設計思想發(fā)生了變化。
現如今家庭和工業(yè)控制各領域中對繼電器的應用已經越發(fā)廣泛。相比以前的產品，由于現代科技的發(fā)展，如今的產品要比之前的產品要更加安全可靠?？墒?，隨之而來也有相應的麻煩。 絕大多數控制繼電器在長期性損壞或疲憊姿勢標準下完成時，非常容易損壞。另外，繼電器的接點容易產生電弧，有時會融化而誤動作，導致嚴重的結果。而且，對于具體使用搭載了數百個繼電器的設備，控制箱必定又大又重。在滿負荷運行情況下，大型繼電器會產生大量的熱量和噪聲，同時也會消耗大量的能量。此外，繼電器控制系統必須手動接線、安裝，僅僅是簡單的改動，就需要花很多時間、勞力和物資進行改造、安裝和調整。
可編程控制器以其體積小、功能強大而著稱，它不僅可以方便地完成序列邏輯、運動控制、定時控制、計數控制、數字操作和數據處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口與各種生產機械的數字量和模擬量建立聯系。
1、流程控制
流程控制是PLC最基本、應用最廣泛的領域。 流程控制是指按照過程流程的順序，根據控制信號，使生產過程的各執(zhí)行機構自動按順序動作。 編程設計靈活、速度快、可靠性高、成本低、維護方便等優(yōu)點，在實現單體控制、多機組控制、生產過程控制中，可以完全取代傳統的繼電器接觸器控制系統。 它主要基于操作按鈕、限位開關、其他現場發(fā)出的指令信號和傳感器信號，控制機械運動零件的操作，實現了自動生產線控制。 典型應用于自動扶梯的控制、管道上電磁閥的自動開閉、帶式輸送機的順序啟動等。 比如我們工廠的原料混合系統利用了PLC的順序控制功能。
2、控制閉環(huán)過程
過去采用由硬件電路組成的pid控制器實現過程控制的仿真，現在可以使用plc控制系統并選擇仿真控制模塊，系統的功能由軟件完成，系統的精度由位數決定，不受軟件的影響，因此更加可靠，易于實現復雜控制和先進控制，可同時控制多個控制回路和多個控制參數，如溫度、流量、壓力、速度等。
3、控制運動位置
plc可以支持cnc機床的控制和管理，在機械加工行業(yè)中，可編程控制器和計算機數控(cnc)集成完成機床位置控制，其功能是接受輸入設備的輸入處理信息，經過處理和計算，通過步進電機或伺服電機向驅動器發(fā)出相應的脈沖，使機器能夠根據預定軌跡運動完成多軸伺服電機的控制。
4、監(jiān)控和管理生產過程
PLC可以通過通信接口連接到顯示終端和打印機等外圍設備上。 顯示器是一種包含微芯片作為人機接口( HMI )的智能設備，通過與PLC組合，可以取代控制臺上的多個控制按鈕、選擇開關、信號指示燈以及生產過程的模擬畫面和控制臺內的多個中間繼電器和端子臺 所有的操作都可以通過顯示器上的操作軟件進行。plc可以在顯示屏上采集和處理生產過程中的數據，并可以顯示二進制、十進制、十六進制、ascii字符等參數，圖標的顏色變化反映現場設備的運行狀態(tài)，如閥門開關、電機的啟停、位置開關的狀態(tài)等。pid回路控制采用數據、條形圖等綜合方法反映生產過程的變化。操作者可以通過參數設置調整參數，通過數據查詢查找數據記錄，通過打印保存相關的生產數據，方便未來的生產管理和過程數據分析。
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