PLC技術(shù)在機(jī)床改造中的應(yīng)用

煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 （山東 264006） 孔 建

1.機(jī)床技術(shù)的發(fā)展

自20世紀(jì)50年代，機(jī)床上應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，出現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床，使得生產(chǎn)機(jī)床發(fā)生了很大的飛躍。在早期的數(shù)控階段，由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度很低，并不能滿足對(duì)當(dāng)時(shí)機(jī)床的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，所以利用專用的計(jì)算機(jī)作為數(shù)控的控制器。經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，由于集成電路的出現(xiàn)，特別是小型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，70年代實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制。在70年代不得不提的是INTEL公司成功集成了CPU，自此之后，計(jì)算機(jī)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，功能也有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)多臺(tái)機(jī)床的控制。進(jìn)入90年代，微機(jī)技術(shù)發(fā)展到了更高的階段，被廣泛用作數(shù)控系統(tǒng)核心部件，機(jī)床從此由數(shù)控階段進(jìn)入了計(jì)算機(jī)控制階段，但是我們習(xí)慣上將現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)控制叫作數(shù)控。

隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為了區(qū)別，將這種在工業(yè)上進(jìn)行控制的可編程控制器件稱為PLC。PLC是通過對(duì)邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，按照開關(guān)量的順序進(jìn)行執(zhí)行。由于其具有很強(qiáng)的通用性，因而用途廣泛，在很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，像機(jī)械制造、石油化工等行業(yè)。PLC控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，功能完善，擴(kuò)展性能強(qiáng)，維修起來比傳統(tǒng)的機(jī)器要方便得多，被廣泛用在機(jī)電一體化的設(shè)備當(dāng)中。

2.改造方案分析

本文討論如何對(duì)型號(hào)為T68的臥式鏜床進(jìn)行改造。此型號(hào)的鏜床由工作臺(tái)、床身、上下溜板、鏜頭架、前后立柱及尾座等部分組成?？梢匝貙?dǎo)軌垂直運(yùn)動(dòng)的鏜頭架裝置在垂直導(dǎo)軌上，此垂直導(dǎo)軌為前立柱的一部分被固定在床身上。而后立柱在床身的另一端，可以沿鏜軸軸線方向調(diào)整位置。由于尾座與鏜頭架同時(shí)升降被安裝在后立柱上。工作臺(tái)與上下溜板一起被安裝在車身中部的導(dǎo)軌上，這樣工作臺(tái)可以做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

由上述分析可知，在工作時(shí)，T86有三種運(yùn)動(dòng)方式，分別是鏜軸、平旋盤的旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)；鏜頭架垂直運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)的橫縱向運(yùn)動(dòng)，鏜軸的軸向進(jìn)給等組成的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；尾座的垂直運(yùn)動(dòng)，后立柱的軸向運(yùn)動(dòng)和工作臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)組成的輔助運(yùn)動(dòng)等。

鏜床運(yùn)行時(shí)，其主軸的轉(zhuǎn)速、加工精度都與切削量有關(guān)，而切削量又由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來決定。在傳統(tǒng)的鏜床上，由一個(gè)主軸電動(dòng)機(jī)來控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。有一個(gè)快速的電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)著工作臺(tái)、鏜頭架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)來縮短輔助時(shí)間。

本文采用西門子系列的可編程控制器對(duì)T86鏜床進(jìn)行電器線路的改造，控制在原有的工作方式下來簡化機(jī)床線路，降低其故障。保持其控制方式不變，即保持機(jī)床上很多的按鈕、繼電器等繼續(xù)使用。利用PLC編程來實(shí)現(xiàn)控制，使得以前機(jī)器的控制繼電器停止使用。

本文提到的T86型號(hào)的機(jī)床由于其功率比較小，所以采用的是兩臺(tái)三相電動(dòng)機(jī)來提供其系統(tǒng)的動(dòng)力，控制線路由接觸器直接啟動(dòng)?？刂茩C(jī)床正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)的接觸器是KM1、KM2，提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)是M1。保護(hù)電動(dòng)機(jī)M1不過載的是F1，短路限流電阻由接觸器KM3來控制。其中M1是此系統(tǒng)的主電動(dòng)機(jī)。要求PLC能控制主電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且可以實(shí)現(xiàn)速度的選擇，能讓主電動(dòng)機(jī)有故障時(shí)停機(jī)的功能，讓主電動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)，在運(yùn)行時(shí)，能將電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自鎖。

T86鏜床有很多的聯(lián)鎖來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，其中熔斷器實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)；熱繼電器實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；有繼電器的自鎖功能實(shí)現(xiàn)欠壓和零電壓保護(hù)；還有很多的電動(dòng)機(jī)都設(shè)有互鎖功能來保護(hù)正反轉(zhuǎn)、高低速。由于有很多的運(yùn)動(dòng)部件，所以設(shè)有很多的聯(lián)鎖用于保護(hù)很有必要。對(duì)于這些保護(hù)，如自鎖、聯(lián)鎖等，在改造控制系統(tǒng)時(shí)，一樣也要考慮到。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文我們采用的是西門子的S7-200系列的PLC，其具有14個(gè)I/O口分別是I0.0 ～I(xiàn)0.7和I1.0～I(xiàn)1.5，10個(gè)輸出點(diǎn)分別是Q0.0 ～Q0.7和Q1.0～Q1.1。輸入端口I0的公共端是1M，I1的公共端為2M。其輸入輸出口可以進(jìn)行擴(kuò)展，存儲(chǔ)系統(tǒng)由RAM和FLASH兩種組成并且可以進(jìn)行擴(kuò)展。每個(gè)PLC元器件分配有不同存儲(chǔ)區(qū)，意味著這些元器件在功能上是獨(dú)立的。程序就被放在這些存儲(chǔ)區(qū)當(dāng)中。

PLC與外界的電路一切聯(lián)系都由輸入輸出口來工作。專門用來采集信號(hào)的稱為輸入接口，可以接收按鈕、繼電器觸點(diǎn)等數(shù)字信號(hào)，也可以接收電位器和變換器發(fā)出的模擬信號(hào)。輸出接口可以驅(qū)動(dòng)很多的執(zhí)行元件，和輸入接口一樣既可以驅(qū)動(dòng)數(shù)字信號(hào)，也可以驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)。

對(duì)于PLC來說和其他一切電器設(shè)備一樣，電源是不可或缺的重要部分，就像人類的心臟。本文提到的西門子的PLC采用的是將220V的單相交流電源轉(zhuǎn)換為PLC各部件需要的直流電，各個(gè)部分對(duì)電壓的要求有區(qū)別，PLC內(nèi)部的CPU和輸入輸出單元以及擴(kuò)展單元需要的是5V電源，而輸入元件的電壓則需要24V。PLC的I/O口的分配如附表所示。

PLC控制系統(tǒng)的連線相較于老式的控制系統(tǒng)，比如說這種繼電器接觸器控制系統(tǒng)來說簡單得多，而且并不需要經(jīng)常改變很多的線路。

通常一種線路會(huì)適合很多的控制系統(tǒng)，這就體現(xiàn)了其一定的優(yōu)勢。對(duì)于本文提到的對(duì)老式機(jī)床進(jìn)行改造的線路也和其他的PLC控制系統(tǒng)一樣具有簡單的線路。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)連線如附圖所示。

設(shè)計(jì)連線圖

3.軟件設(shè)計(jì)

在PLC控制系統(tǒng)中最重要的是程序設(shè)計(jì)，我們所說的軟件設(shè)計(jì)是對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際上PLC的程序有兩大部分組成：系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序。其中系統(tǒng)程序是由西門子公司提供，是固化在PLC內(nèi)，就像計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)一樣控制PLC的運(yùn)轉(zhuǎn)，包括：系統(tǒng)管理程序，用來使PLC按照一定的順序來運(yùn)行；指令翻譯程序，在計(jì)算機(jī)中稱為編譯器，即把在PLC中的用戶程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以識(shí)別的語言，使PLC能執(zhí)行這些指令；還有其他的標(biāo)準(zhǔn)程序，以供系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)調(diào)用。

PLC的I/O口的分配表

通常應(yīng)用程序又被稱為用戶程序，即我們要設(shè)計(jì)的模塊，由使用者針對(duì)不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行程序的編寫，傳統(tǒng)的繼電器接觸器系統(tǒng)要通過改變其連線，改變其硬件的電路來實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)的控制。但是PLC控制系統(tǒng)當(dāng)中只要對(duì)其應(yīng)用程序進(jìn)行修改，就可以適應(yīng)不同的控制功能。

在PLC系統(tǒng)中可以用梯形圖和語句表來實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行編程，兩者可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，梯形圖編程比較便于閱讀，本文采用的是語句表進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

程序如下：

4.結(jié)語

以上是我們對(duì)鏜床的改造。實(shí)際上現(xiàn)在的加工企業(yè)還存在很多老式普通的機(jī)床，如果要適應(yīng)現(xiàn)在的多品種而又復(fù)雜的加工，必須要求對(duì)這種機(jī)床進(jìn)行改造。我們選擇的是PLC作為核心部件進(jìn)行改造，相對(duì)于其他的改造方法比如單片機(jī)、專用的數(shù)控設(shè)備等有一定的優(yōu)勢。單片機(jī)進(jìn)行改造時(shí)，通常是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)來改造原本的機(jī)床。這種方法具有一定簡化機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)的好處，不過相對(duì)于PLC控制的系統(tǒng)而言設(shè)計(jì)其接口很復(fù)雜，沒有PLC的那種簡單的接口，也沒有PLC那么高的可靠性。而采用專用的設(shè)備來改造時(shí)，其控制系統(tǒng)同樣屬于開環(huán)系統(tǒng)，這種方法雖然可以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡，卻因其費(fèi)用過高，而且太過于專用而并不太適合對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造。

可以分析得出PLC控制系統(tǒng)在替代原本機(jī)床復(fù)雜的繼電器接觸器控制系統(tǒng)電氣設(shè)備時(shí)具有很好的可靠性，可以適合對(duì)各種機(jī)床進(jìn)行改造。隨著集成技術(shù)等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)得到了很快的發(fā)展，特別是PLC技術(shù)迅速發(fā)展，不僅是功能越來越多，而且各種內(nèi)部器件也得到了發(fā)展。