PLC 技術(shù)在銑床改造中的應用

陳 洋，趙新業(yè)

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

數(shù)控銑床一直是被作為機械加工的主力軍之一，在制造業(yè)中有著舉足輕重的地位，在企業(yè)生產(chǎn)機械中不可或缺的關(guān)鍵設備之一，普通機床（如立式銑床）承擔著圓弧、端面、凹槽銑削等工序的加工。所以，普通銑床在全國的保有量非常高，據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，目前全國數(shù)控機床達到20 萬臺，但普通機床超過了380 萬臺。由于普通銑床面臨著勞動強度大、生產(chǎn)效率低等問題，閑置的普通銑床較多，許多企業(yè)無法完成對數(shù)控銑床的一次性投資，這給企業(yè)的發(fā)展帶來了困難。對普通銑床經(jīng)濟型數(shù)控化改造，提升設備的可靠性、降低經(jīng)濟成本成為了制造類企業(yè)共同的心愿。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，2019 年日本、中國、德國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)規(guī)模占比分別為32.1%/31.5%/17.2%，我國已經(jīng)成為全球第二大數(shù)控機床消費國。因此，普通銑床數(shù)控化改造在我國將是一種急需和可行的途徑[1]。

目前，對銑床改造的研究有來自廣州大學的徐靜亞，她就機床改造進行了一系列研究，但是僅僅對銑床進行CNC 系統(tǒng)改造，并未將成本降到最低，在考慮成本的情況下將PLC 技術(shù)應用于普通機床數(shù)控化改造，以實現(xiàn)最低成本、最完善的設備改造。

1 機床改造的思路與步驟

1.1 改造思路

隨著計算機技術(shù)與電子技術(shù)的快速發(fā)展，以PLC控制、變頻調(diào)速、觸摸屏人機對話、組態(tài)監(jiān)控為主體得新型控制系統(tǒng)廣泛應用于各行各業(yè)[2]，這也間接性地推動了數(shù)控銑床的發(fā)展。社會中閑置的普通銑床不僅占用企業(yè)生產(chǎn)空間，還造成了資源浪費，不利于企業(yè)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國普通銑床存在加工精度低、無法完成復雜加工，不適應當下機械加工需求等問題，許多企業(yè)在考慮收益的前提下，不得不將普通銑床滯留停工，有數(shù)據(jù)表明，我國的普通銑床停工率達80%，這造成了巨大的資源浪費。通過將現(xiàn)有銑床X、Y、Z三個方向工作臺在結(jié)構(gòu)上進行改造，設計與之相符的機械傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，利用PLC 程序運算并分配信號控制步進電機實現(xiàn)三軸聯(lián)動的數(shù)控加工。通過改造的銑床提高了生產(chǎn)效率，盤活了閑置資源，解決了加工精度低、無法加工復雜工件的難題，達到了閑置資源再利用的目的，使普通銑床成為一種柔性的、高效能的自動化加工設備，代表了現(xiàn)代機床控制技術(shù)的發(fā)展方向[2]從目前我國銑床發(fā)展來看，我國正向機械加工自動化方向發(fā)展，加之我國普通銑床存量大，普通銑床數(shù)控化改造將成為一種長期使用的手段。

1.2 改造的步驟

首先確定銑床各個改造部分的參數(shù)，如銑床運動的距離來選擇絲桿的長度等，對其進行結(jié)構(gòu)設計計算，由原銑床電機功率和銑削力估算電機的型號，再由確定的電機進行減速機構(gòu)的設計、制造和安裝，最后根據(jù)改造好的銑床機械部分進行PLC 控制系統(tǒng)的設計與接線。

2 機械部分的改造

2.1 原銑床特點

X60W 臥式升降臺普通銑床誕生時間早且用途廣泛，該銑床由床身、工作臺、主軸電機、普通絲桿等零件組成。銑床具備了足夠的功率和剛性以及有較大的調(diào)速范圍（主軸轉(zhuǎn)速和進給量），能夠?qū)崿F(xiàn)平面、輪廓、鍵槽等的銑削，如果使用適當?shù)你姶哺郊?，可加工齒輪、凸輪、弧形槽及螺旋面等特殊形狀的零件，配置萬能銑頭、圓工作臺、分度頭等銑床附件，可進一步擴大銑床使用范圍，適用于各種機械加工。

2.2 不足之處

首先，X60W 銑床的工作精度低，主要原因是銑床傳動絲桿傳動效率低下而且產(chǎn)生傳動誤差[3]；銑床在銑床加工中，人為的運動銑床工作臺可能產(chǎn)生銑削不足，定位不精甚至是過切等問題。其次，銑床原有系統(tǒng)均為直通式的齒輪傳動，利用齒輪將三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)力傳動到螺紋桿中，沒有編程與算法的柔性，無法完成稍復雜化的零件加工。

2.3 改造方案

機械部分的改造是對機械傳到系統(tǒng)進行分析、改造的過程，分析待改造部分的作用、工作方式與特性等，對其進行拆除與改造，使其達到數(shù)字控制的要求。

改造方案1：為了確保生產(chǎn)效率和傳動的平穩(wěn)性，實現(xiàn)高精準定位，選用伺服電機，將X、Y、Z軸普通絲桿更換成新滾珠絲桿，電動機與絲桿之間的機械能傳動方式采用齒輪傳動，利用PLC 控制同時采用閉環(huán)控制系統(tǒng)使得改造后的銑床精度更高。

改造方案2：為了節(jié)約成本，同時兼顧一定的精度，選用帶剎車的步進電機，并將X、Y、Z軸普通絲桿改為滾珠絲桿，電動機與絲桿之間的機械能傳動方式采用齒輪傳動，利用PLC 控制。

造方案3：為了成本的最低化，三軸傳動絲桿不變，選用步進電機傳動對絲桿進行直接傳動，電動機與絲桿之間的機械能傳動方式采用同步帶傳動，利用PLC 控制。

考慮到銑床改造主要是為了降低成本、滿足生產(chǎn)需求與精度需求，用于大批量零件的加工，本次改造將采用方案2。

3 控制部分的改造

3.1 改造要求

任何一種機械電器控制系統(tǒng)都是為了達到被控制對象的工藝控制要求，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。所以設計PLC 控制系統(tǒng)，應達到以下基本原則。

（1）運行效率高。PLC 系統(tǒng)工作運算速度快，以實現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的分析、處理及運算，滿足數(shù)控加工過程所必需的高效性[4]。

（2）柔性加工。PLC 控制工作臺沿X、Y、Z三個坐標方向的移動及移動速度，有快速移動功能，并具有剎車抱閘裝置。能完成需要加工的要求，適用于加工中小型零件的平面、成形表面（如任意圓弧、凸輪的曲面等）及45°內(nèi)任意的平面。

（3）其他。要求PLC 控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定，在滿足控制要求的基礎(chǔ)上，保證控制系統(tǒng)經(jīng)濟實用、工作可靠、維修方便。

3.2 改造方案

考慮到機械產(chǎn)品的變化和生產(chǎn)工藝的發(fā)展走向，實現(xiàn)控制機械加工過程的產(chǎn)品質(zhì)量以及讓人能夠容易直觀的學習上手編寫程序，選用西門子S7-200smart 系列PLC，西門子S7-200smart 系列PLC 具有高速度、高性能的特點，其指令豐富，有專門的定位指令，控制步進電機和伺服電機簡單，控制精度高，同時還可以實現(xiàn)某些難度的動作。

3.3 確定電氣設備

可編程邏輯控制器是專門為工業(yè)環(huán)境的應用而設計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。PLC 采用可編程存儲器，內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、時序、計數(shù)、算術(shù)運算等操作的指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出控制各種機械設備和生產(chǎn)工序看。PLC 的規(guī)格分為大型、中小型，輸出方式分為繼電器輸出、晶體管輸出。

3.3.1 PLC 選型的基本原則與要求

（1）基本原則。最大限度地滿足被控對象得控制要求，設計前應深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，搜集資料，并擬定電氣控制方案；在滿足控制要求得前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟、使用及維護方便，保證控制系統(tǒng)安全可靠。

（2）選型要求。支持高速脈沖輸出并至少攜帶三個以上脈沖口，具有多個輸入輸出接口，并支持拓展，價格適中，功能齊全。

3.3.2 PLC 型號的確定

根據(jù)銑床運動控制的需求，選擇的PLC 型號：西門子s7-200smart ST30 24V/DC/DC/DC/晶體管輸出。選型及具體參數(shù)見表1。

表1 PLC 參數(shù)

西門子ST30CPU 模塊本體集成3 路高速脈沖輸出，頻率高達100 KHz，并能夠安裝多個拓展模塊，支持PWM/PTO 輸出方式以及多種運動模式，輕松驅(qū)動各類脈沖驅(qū)動器。CPU 集成的PROFINET 接口，可以連接多脈沖驅(qū)動器，配以方便易用的SINAMICS 運動庫指令，快速實現(xiàn)設備調(diào)速、定位等運控功能。

3.3.3 控制開關(guān)電源選型

根據(jù)步進電機選型來確定控制開關(guān)電源的規(guī)格與型號。三軸步進電機支持50-80VDC，5 A 輸入電，結(jié)合需要選擇：HJS-480 直流開關(guān)電源，輸出電壓范圍：0 ～80 V 連續(xù)可調(diào)（可調(diào)至81 V），輸出電流：6 A；根據(jù)PLC 型號S7-200smart，其支持0-20VDC，2 A輸入電，結(jié)合需要選擇：德力西CDKU-50-24 直流開關(guān)電源，輸出電壓范圍0 ～24 V，輸出電流：2.1 A。

4 PLC 控制系統(tǒng)工作原理

可編程控制器的結(jié)構(gòu)類型眾多，其組成原理一般大致基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源等幾個部分組成。

4.1 系統(tǒng)組成

（1）中央處理單元（CPU）。CPU 作為整個PLC 的核心大腦，起著總指揮的作用。CPU 一般由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路裝在一個芯片上。其主要功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執(zhí)行指令，取下一條指令，處理中斷。

（2）存儲器（RAM、ROM）。存儲器主要用于存儲編寫的系統(tǒng)程序、自身程序和相關(guān)工作數(shù)據(jù)。常使用的存儲器有RAM、EPROM 和EEPROM。RAM 是一種可進行讀寫的隨機存儲器存放用戶程序。生成用戶數(shù)據(jù)區(qū)，存放在RAM 中的用戶程序可方便地修改。RAM 存儲器是一種高精密、消耗功率較低、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。掉電時可自動保持存儲的信息。EPROM、EEPROM 都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統(tǒng)管理程序和應用程序。

（3）輸入輸出單元（I/O 單元）。PLC 上的輸入輸出信號接口，根據(jù)不同類型的PLC 其接口有多有少，其輸出控制器一般是交流接觸器。

（4）電源。PLC 電源有一個外接電源，其主要把外部的單元供電轉(zhuǎn)化為內(nèi)部的工作電壓，同時內(nèi)部自身還有有DC24V 直流電主要用于對CPU 和I/O單元供電。

（5）編碼器。在計算機中利用編碼器，把用戶編寫的程序信號存儲在存儲器中，可以有效進行程序的監(jiān)控、檢查、修改、調(diào)試等。

4.2 工作原理

一般普通銑床的電氣控制器，都使用的是順序控制模式。而采用PLC 最大的好處，就是可以很方便完成所有程序的模式。而通過PLC 控制器，因為PLC 中“軟元件繼電器”的觸點是能夠無限多次通過的，所以在程序設計中，就不用考慮觸點多少的問題了，而PLC 的所有輔助電源、定時器、計數(shù)器等控制模塊，也都是由PLC 內(nèi)置的寄存器完成的，從而節(jié)約了許多外部的電源。PLC 程序控制時，由內(nèi)部CPU 進行各部件上的邏輯相關(guān)性操作，而PLC 外部只需負責輸入端部開關(guān)，按鍵的指示信息，并輸出端部接觸器、指示燈以及負載，然后再由接觸器監(jiān)控電動機的工作，而無須考慮接觸器內(nèi)部的邏輯關(guān)系。所以，也可將其上述普通銑削機床的控制系統(tǒng)全部換成了PLC 控制器，整個操作過程不變。

4.3 I/O 口的分配

針對不同類型銑床的電氣控制特點，其要求輸入/輸出都有開關(guān)量。機床的各種操作與輔助性能圖1所示。

通過I 口對PLC 程序進行啟動和停止，通過O口輸出脈沖與通斷信號。共需5 個輸入點，10 個輸出點，為此，可以選用西門子s7-200smart ST30，輸入點數(shù)12、輸出總點數(shù)18 點，可以使機床完成所有主要操作的基本要求。主要的I/O 分配見表2 所示。

表2 PLC I/O 分配

經(jīng)改造后的銑床具有柔性加工的特點，具有市場上主流數(shù)控銑床的主要優(yōu)點（柔性數(shù)控化加工），適應性較強、加工精度較高、生產(chǎn)效率較高和加工質(zhì)量相對穩(wěn)定等。它綜合地應用了計算機應用、自動控制、伺服驅(qū)動、高精度測量和創(chuàng)新的機械結(jié)構(gòu)等多方面的前沿技術(shù)，符合今后機床控制發(fā)展方向。

5 結(jié)語

通過對三軸的改造與加裝，利用PLC 控制銑床的運動，達到了銑床數(shù)控化改造的目的，既能將老舊資產(chǎn)盤活，又讓其發(fā)揮了生產(chǎn)的功效。老舊銑床改造不僅滿足了當下企業(yè)對加快生產(chǎn)力的需求，同時還解決了社會對老舊銑床最終歸何去何從的問題。