可編程控制器在數(shù)控機(jī)床控制方面的應(yīng)用如何？

可編程序控制器在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用探討

近年來，PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢(shì)是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展, 它在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來越多。在機(jī)床的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，為了提高數(shù)控機(jī)床加工的精度，對(duì)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(zhǔn)，且程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試相當(dāng)方便。本文提出的是如何應(yīng)用永宏P(guān)LC的NC定位控制實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制功能的方法來滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。整機(jī)控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可供工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)改造借鑒。

2 數(shù)控機(jī)床組成結(jié)構(gòu)及工作過程

本例數(shù)控機(jī)床由輸入、輸出裝置、數(shù)控裝置、可編程控制器、伺服系統(tǒng)、檢測(cè)反饋裝置和機(jī)床主機(jī)等組成。

輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計(jì)算機(jī)。在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現(xiàn)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(nèi)部工作參數(shù)(含機(jī)床正常、理想工作狀態(tài)下的原始參數(shù)，故障診斷參數(shù)等)，一般在機(jī)床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保存，待工作一段時(shí)間后，再將輸出與原始資料作比較、對(duì)照，可幫助判斷機(jī)床工作是否維持正常。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心與主導(dǎo)，完成所有加工數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算工作，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床各功能的指揮工作。它包含微計(jì)算機(jī)的電路，各種接口電路、CRT顯示器等硬件及相應(yīng)的軟件?？删幊炭刂破鲗?duì)主軸單元實(shí)現(xiàn)控制，將程序中的轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行處理而控制主軸轉(zhuǎn)速;管理刀庫(kù)，進(jìn)行自動(dòng)刀具交換、選刀方式、刀具累計(jì)使用次數(shù)、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數(shù)等管理;控制主軸正反轉(zhuǎn)和停止、準(zhǔn)停、切削液開關(guān)、卡盤夾緊松開、機(jī)械手取送刀等動(dòng)作;還對(duì)機(jī)床外部開關(guān)(行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫控開關(guān)等)進(jìn)行控制;對(duì)輸出信號(hào)(刀庫(kù)、機(jī)械手、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等)進(jìn)行控制。檢測(cè)反饋裝置由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，主要是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋于數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制以保證數(shù)控機(jī)床加工精度。數(shù)控機(jī)床的工作過程如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床的工作過程框圖

數(shù)控加工的準(zhǔn)備過程較復(fù)雜，內(nèi)容多，含對(duì)零件的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、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(jī)床的調(diào)整主要包括刀具命名、調(diào)入刀庫(kù)、工件安裝、對(duì)刀、測(cè)量刀位、機(jī)床各部位狀態(tài)等多項(xiàng)工作內(nèi)容。程序調(diào)試主要是對(duì)程序本身的邏輯問題及其設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行檢查和調(diào)整。試切加工則是對(duì)零件加工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)下的考察，而整個(gè)過程均需在前一步實(shí)現(xiàn)后的結(jié)果評(píng)價(jià)后再作后一步工作。試切成功后方可對(duì)零件進(jìn)行正式加工，并對(duì)加工后的零件進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)。前三步工作均為待機(jī)時(shí)間，為提高工作效率，希望待機(jī)時(shí)間越短越好，越有利于機(jī)床合理使用。該項(xiàng)指標(biāo)直接影響對(duì)機(jī)床利用率的評(píng)價(jià)(即機(jī)床實(shí)動(dòng)率)。

3 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)問題

機(jī)床是由機(jī)械和電氣兩部分組成，在設(shè)計(jì)總體方案時(shí)應(yīng)從機(jī)電兩方面來考慮機(jī)床各種功能的實(shí)施方案，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械要求和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜，所以更應(yīng)機(jī)電溝通，揚(yáng)長(zhǎng)避短。機(jī)床控制系統(tǒng)選件、裝配、程序編制及操作都應(yīng)該比較合理，精度和穩(wěn)定性都必須滿足使用要求。同時(shí)為便于調(diào)試和檢修，各項(xiàng)操作均設(shè)手動(dòng)功能，如手動(dòng)各軸快慢移動(dòng)、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、切削液及潤(rùn)滑開關(guān)等。PLC按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作或按照時(shí)序動(dòng)作，另外還有與順序、時(shí)序無關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進(jìn)行順序控制的主要產(chǎn)品,在機(jī)床的電氣控制中應(yīng)用也比較普遍。目前，可編程控制器(PLC)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。數(shù)控機(jī)床的控制部分可分為數(shù)字控制和順序控制兩部分，數(shù)字控制部分包括對(duì)各坐標(biāo)軸位置的連續(xù)控制，而順序控制包括對(duì)主軸正/反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)/停止、換刀、卡盤夾緊和松開、冷卻、尾架、排屑等輔助動(dòng)作的控制?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用PLC代替繼電器控制來完成邏輯控制，使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，響應(yīng)速度和可靠性大大提高。

在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，小規(guī)格全功能CK160數(shù)控車床。該數(shù)控車床采用日本FANUC公司的POWERMATE0數(shù)控系統(tǒng)，配置全數(shù)字交流伺服裝置，主軸采用進(jìn)口變頻器控制，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC，功能指令強(qiáng)，使用方便、靈活、用戶易懂。

現(xiàn)以CK160為例，說明PLC在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。

2車床的PLC數(shù)控系統(tǒng)控制原理設(shè)計(jì)

2.1車床的操作要求

車床一般加工回轉(zhuǎn)表面、螺紋等。要求其動(dòng)作一般是X、Z向快進(jìn)、工進(jìn)、快退。加工過程中能進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)、車外圓與車螺紋等轉(zhuǎn)換;并且能進(jìn)行中步操作。

2.2PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問題

車床的操作過程比較復(fù)雜，而PLC一般只適用于動(dòng)作的順序控制。要將PLC用于控制車床動(dòng)作，必須解決三個(gè)問題：

1)如何產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的信號(hào)及X、Z向動(dòng)作的協(xié)調(diào);

2)如何改變進(jìn)給系統(tǒng)速度;

3)車螺紋如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)及螺紋導(dǎo)程的變化。

將PLC及其控制模塊和相應(yīng)的執(zhí)行元件組合，這些問題是可以解決的。

2.3數(shù)控系統(tǒng)的控制原理

普通車床數(shù)控化改造工作就是將刀架、X、Z向進(jìn)給改為數(shù)控控制。根據(jù)改造特點(diǎn)，伺服元件采用步進(jìn)電機(jī)，實(shí)行開環(huán)控制系統(tǒng)就能滿足要求。Z向脈沖當(dāng)量取0.01mm,X向脈沖當(dāng)量取0.005mm。選用晶體管輸出型的PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)由編程產(chǎn)生，通過程序產(chǎn)生不同頻率脈沖實(shí)現(xiàn)變速。X、Z向動(dòng)作可通過輸入手動(dòng)操作或程序自動(dòng)控制。車螺紋的脈沖信號(hào)由主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，通過與門電路接入PLC輸入端，經(jīng)PLC程序變頻得到所需導(dǎo)程的脈沖。刀架轉(zhuǎn)位、車刀進(jìn)、退可由手動(dòng)或自動(dòng)程序控制。

3數(shù)控機(jī)床改造的可行性

普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床是指對(duì)普通機(jī)床某些部位機(jī)械結(jié)構(gòu)做一定的改造，加上數(shù)控裝置，從而使普通機(jī)床具有數(shù)控加工能力。

機(jī)床數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

其一是恢復(fù)原功能。對(duì)機(jī)床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)。

其二是NC化。在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床。

其三是翻新。為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度;對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新。

其四是技術(shù)改造或技術(shù)創(chuàng)新。為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)改造或技術(shù)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(jù)D-U3710組合機(jī)床動(dòng)作循環(huán)圖、技術(shù)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(shí)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(tǒng)分析，D-3701組合機(jī)床的輸入點(diǎn)為24個(gè)、輸出點(diǎn)為19個(gè)，所以選用東芝EX系列可編程控制器的基木單元EX-40H+擴(kuò)展單元EX20來完成。EX-40H+EX20的輸入點(diǎn)為36個(gè)、輸出點(diǎn)24個(gè)，大于系統(tǒng)所確定的I/O數(shù)，為此使用EX-40H+EX20是可行的。

在確定系統(tǒng)所需的I/O數(shù)后，還需進(jìn)一步確定輸入量、輸出量的元件號(hào)，輸入/輸出繼電器的元件號(hào)與它們對(duì)應(yīng)的I/O號(hào)所接的端子編號(hào)是一致的，做好這一步就為繪制硬件接線圖做好了準(zhǔn)備。在此過程中應(yīng)列一張地址分配表，標(biāo)明各信號(hào)的名稱、代號(hào)和分配的元件號(hào)。如果需要還應(yīng)列出信號(hào)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(duì)于開關(guān)量輸入信號(hào)還應(yīng)列出是常開觸點(diǎn)還是常閉觸點(diǎn)，觸點(diǎn)在什么條件下接通或斷開。為輸入量、輸出量分配好元件號(hào)后，下一步就可設(shè)計(jì)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(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸人和輸出，控制各類機(jī)械的生產(chǎn)過程。

PLC的工作過程即是CPU對(duì)用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行的過程：對(duì)用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)階段進(jìn)行。

1)輸入采樣以掃描方式順序讀入所有輸入信號(hào)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(nèi)容不會(huì)隨著實(shí)際信號(hào)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?qū)γ織l指令進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)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(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

6PLC與數(shù)控機(jī)床外部設(shè)備的信息交換

PLC、系統(tǒng)和機(jī)床三者之間的信息交換包括如下四部分：

1)機(jī)床至PLC

機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)通過PLC輸入接口送至PLC中，除了極少數(shù)信號(hào)外，絕大多數(shù)信號(hào)的含義及所占用PLC的地址(X地址)均可由PLC程序設(shè)計(jì)者自行定義。

2)PLC至機(jī)床

PLC控制機(jī)床的信號(hào)通過

可編程邏輯控制器(plc)在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，沒有可編程邏輯控制器，控制系統(tǒng)就像缺乏靈魂一樣。為了提高大家對(duì)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(shù)。如果你對(duì)可編程邏輯控制器感興趣，可以繼續(xù)閱讀。

在工控自動(dòng)化行業(yè)，可編程控制器(PLC)作為大部分自動(dòng)化技術(shù)的設(shè)備基礎(chǔ)，也給工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了史無前例的前所未有的巨大改變。與傳統(tǒng)的繼電器工業(yè)控制系統(tǒng)相比，采用plc的工業(yè)控制系統(tǒng)在操作、控制、效率和精度等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)業(yè)控制系統(tǒng)中使用的繼電器控制設(shè)備雖然沒有完全淘汰，但由于PLC的出現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)控制設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想發(fā)生了變化。

現(xiàn)如今家庭和工業(yè)控制各領(lǐng)域中對(duì)繼電器的應(yīng)用已經(jīng)越發(fā)廣泛。相比以前的產(chǎn)品，由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，如今的產(chǎn)品要比之前的產(chǎn)品要更加安全可靠?？墒?，隨之而來也有相應(yīng)的麻煩。 絕大多數(shù)控制繼電器在長(zhǎng)期性損壞或疲憊姿勢(shì)標(biāo)準(zhǔn)下完成時(shí)，非常容易損壞。另外，繼電器的接點(diǎn)容易產(chǎn)生電弧，有時(shí)會(huì)融化而誤動(dòng)作，導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)果。而且，對(duì)于具體使用搭載了數(shù)百個(gè)繼電器的設(shè)備，控制箱必定又大又重。在滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，大型繼電器會(huì)產(chǎn)生大量的熱量和噪聲，同時(shí)也會(huì)消耗大量的能量。此外，繼電器控制系統(tǒng)必須手動(dòng)接線、安裝，僅僅是簡(jiǎn)單的改動(dòng)，就需要花很多時(shí)間、勞力和物資進(jìn)行改造、安裝和調(diào)整。

可編程控制器以其體積小、功能強(qiáng)大而著稱，它不僅可以方便地完成序列邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、定時(shí)控制、計(jì)數(shù)控制、數(shù)字操作和數(shù)據(jù)處理等功能，而且可以通過輸入輸出接口與各種生產(chǎn)機(jī)械的數(shù)字量和模擬量建立聯(lián)系。

1、流程控制

流程控制是PLC最基本、應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。 流程控制是指按照過程流程的順序，根據(jù)控制信號(hào)，使生產(chǎn)過程的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)按順序動(dòng)作。 編程設(shè)計(jì)靈活、速度快、可靠性高、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)單體控制、多機(jī)組控制、生產(chǎn)過程控制中，可以完全取代傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)。 它主要基于操作按鈕、限位開關(guān)、其他現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出的指令信號(hào)和傳感器信號(hào)，控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件的操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生產(chǎn)線控制。 典型應(yīng)用于自動(dòng)扶梯的控制、管道上電磁閥的自動(dòng)開閉、帶式輸送機(jī)的順序啟動(dòng)等。 比如我們工廠的原料混合系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)過程控制的仿真，現(xiàn)在可以使用plc控制系統(tǒng)并選擇仿真控制模塊，系統(tǒng)的功能由軟件完成，系統(tǒng)的精度由位數(shù)決定，不受軟件的影響，因此更加可靠，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制和先進(jìn)控制，可同時(shí)控制多個(gè)控制回路和多個(gè)控制參數(shù)，如溫度、流量、壓力、速度等。

3、控制運(yùn)動(dòng)位置

plc可以支持cnc機(jī)床的控制和管理，在機(jī)械加工行業(yè)中，可編程控制器和計(jì)算機(jī)數(shù)控(cnc)集成完成機(jī)床位置控制，其功能是接受輸入設(shè)備的輸入處理信息，經(jīng)過處理和計(jì)算，通過步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)的脈沖，使機(jī)器能夠根據(jù)預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)完成多軸伺服電機(jī)的控制。

4、監(jiān)控和管理生產(chǎn)過程

PLC可以通過通信接口連接到顯示終端和打印機(jī)等外圍設(shè)備上。 顯示器是一種包含微芯片作為人機(jī)接口( HMI )的智能設(shè)備，通過與PLC組合，可以取代控制臺(tái)上的多個(gè)控制按鈕、選擇開關(guān)、信號(hào)指示燈以及生產(chǎn)過程的模擬畫面和控制臺(tái)內(nèi)的多個(gè)中間繼電器和端子臺(tái) 所有的操作都可以通過顯示器上的操作軟件進(jìn)行。plc可以在顯示屏上采集和處理生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，并可以顯示二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制、ascii字符等參數(shù)，圖標(biāo)的顏色變化反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如閥門開關(guān)、電機(jī)的啟停、位置開關(guān)的狀態(tài)等。pid回路控制采用數(shù)據(jù)、條形圖等綜合方法反映生產(chǎn)過程的變化。操作者可以通過參數(shù)設(shè)置調(diào)整參數(shù)，通過數(shù)據(jù)查詢查找數(shù)據(jù)記錄，通過打印保存相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，方便未來的生產(chǎn)管理和過程數(shù)據(jù)分析。