PLC在組合機床的控制應用探討

葉曉光

（首都航天機械公司 計量理化所，北京 100076）

0 引言

組合機床采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產效率比通用機床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經標準化和系列化，可根據需要靈活配置，能縮短設計和制造周期。因此，組合機床兼有低成本和高效率的優點，在大批量生產中得到廣泛應用，并可用以組成自動生產線。

傳統的組合機床多采用繼電器邏輯線路進行加工過程的自動控制，在使用中常會出現各種故障，使維修時間增加，影響生產效率。滿足不了現代產品更新加速的需求，而采用可編程序控制器可明顯改善上述情況。可編程序控制器（PLC）是以微處理器為核心的專用計算機系統，但它擁有比一般計算機更強大的與工業過程相連接的接口和直接適應于控制要求的編程語言。現已成為一種新型工業控制裝置，它具有體積小、功能強、編程簡單、維護方便等優點，因此，用 PLC電路替代傳統的繼電器電路已成為一種趨勢。

1 PLC基本結構與工作原理

1.1 PLC基本結構

PCL主要由中央處理器（CPU）、儲存器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口和電源等部分組成。在以上各種硬件中CPU是PLC的核心，輸入單元與輸出單元分別連接在輸入設備、輸出設備與CPU之間。通信接口用于與編程器、上位計算機等外部設施的連接。根據各部件的連接方式不同，PLC可以分為兩類：整體式PLC及模塊式PLC。對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內；對于模塊式PLC,各部件獨立封裝成模塊，安裝在機架或導軌上，各模塊再通過總線連接在一起。

下面簡單介紹PCL幾種主要硬件的作用：

1）電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電經整流、濾波、穩壓等處理后轉換成PLC內部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊，在整個系統中起著十分重要的作用。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內，可將PLC直接連接到交流電網上去。

2）CPU

中央處理單元(CPU)是整個PLC的核心，它實現各種運算并對整個系統進行全面控制，起著總指揮的作用。CPU通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲器、I/O接口、編程器、外設接口、I/O擴展接口相連接來控制他們。PLC根據系統程序指揮各個系統正常的工作，在一個掃描周期內主要完成：（1）輸入處理。（2）程序執行。（3）輸出處理。（4）其間響應各種外部設備的工作請求。

3）存儲器

（1）用戶程序存儲器——存放用戶程序。即用戶通過編程器輸入的用戶程序。

（2）功能存儲器（數據區）——存放用戶數據。

4）I/O接口電路

（1）輸入接口電路由光耦合電路和微機的輸入接口電路，作用是PLC與現場各種輸入、輸出設備連接起來的接口或模塊。

（2）輸出接口電路由輸出數據寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用是將CPU處理過的輸出數字信號傳送給輸出端的各種執行元件而控制狀態。

5）通信接口

PLC配有各種通信接口，通過這些接口可與不同設備連接如監視器、打印機等，實現不同的功能。

1.2 PLC的工作原理

當PLC投入運行后，其工作過程分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

1）輸入采樣階段

PLC輸入采樣階段也就是建立和更新輸入映像區階段。PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態和數據，并將它們存入I/O映象區的相應單元內。輸入采樣后，轉入用戶程序執行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態和數據改變，I/O映象區中的相應單元的狀態和數據也不會改變。然后關閉輸入端口，進入程序執行階段。

2）用戶程序執行階段

在用戶程序執行階段，PLC總是按“由上而下、從左到右”的原則依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并對控制線路進行邏輯運算，然后根據邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態，將結果寫入元件映像寄存器。

3）輸出刷新階段

在輸出刷新階段，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。對于那些在一個掃描周期內狀態沒有發生變化的邏輯變量，就輸出與前一個周期同樣的信息，不會引起相應元件狀態的變化。

2 組合機床工作原理與流程

2.1 組合機床工作原理

通用部件按功能可分為動力部件、支承部件、輸送部件、控制部件和輔助部件五類。動力部件是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。主要有動力箱、切削頭和動力滑臺。一般機床由床身、中間工件夾緊裝置、左右兩個工位滑臺及動力系統、液壓系統、冷卻排屑系統等組成。主電路中有四臺電機，M1為油泵，提供左右工作臺前進、后退和工件夾緊的動力；M2、M3為左右動力頭電機，工作時切削和加工；M4為冷卻泵。自動工作時，首先起動液壓油泵、確認總原位后，人工上料、按自動加工按鈕工件夾緊后、兩個工位滑臺前進并轉工進，同時冷卻泵起動，加工完畢后主軸延時停止旋轉，滑臺后退，退到原位壓到行程開關后停止，兩個工位都退到原位后工件自動松開，整個循環結束，人工上料開始第二個循環。

2.2 系統工作流程

根據機床的加工需要及工藝要求，首先應確定機床的工作狀態：包括自動、半自動、自動循環以及循環次數設定等。然后再確定加工方式。按下開始按鈕，會自動調整機床恢復原位。如果自動產生故障，也可手動調整。確定機床已經恢復原位之后，就可以將工件加緊開始循環加工：左右滑臺前進、工件前進，工件完成加工，滑臺延時后退，退到原位后停止，當左右兩滑臺都退到原位后將松開工件，至此一個循環結束。根據設定的循環次數緊接著可以進行下一個循環，如此往復，即可將工件加工完成。

3 PLC在組合機床的控制應用

3.1 PLC在組合機床應用現狀

PLC具有可靠性高、控制功能強、編程方便和易于使用等特點，現已在機床的工業生產中廣泛應用。在精度和可靠性方面，雖然機床的精度和可靠性主要取決于所選用的機床本身而不是控制系統，但它對精度和可靠性還是會產生很大的影響，特別是在生產效率的提高上。

3.2 PLC控制系統分析與設計

本系統是以日本三菱公司生產的F1系列PLC為例。根據系統工作流程，加工過程中，滑臺的移動和工件的夾緊是由電磁閥控制的，Y1、Y2分別控制左滑臺的前進和后退，Y3、Y4分別控制右滑臺的前進和后退，Y5吸合工件夾緊，Y6吸合工件松開。自動加工過程中，當Y5吸合，工件夾緊，壓力繼電器 KA1吸合，以確認工件夾緊后，左右滑臺才能前后移動，加工過程中當系統壓力降低到設定的壓力，則KA1斷開，滑臺和動力頭停止工作，防止工件飛出傷人。

1）確定I/O點數

PLC的I/O通道的分配是根據其控制對象，也就是生產機械的生產過程和生產工藝所需要的控制元器件如開關按鈕、繼電器等，一般不包括大容量的執行原件如接觸器等，所賦予的各種PLC可以識別的特定代號。正常情況下，在保證控制要求的前提下，要盡量減少PLC的硬件連線，這樣效率更高，因此，要盡可能減少輸入輸出（I/O）接口的點數。如此不僅可以降低PLC的成本，還可以使PLC的輸入輸出留有余地，更便于日后使用擴充其功能。綜合考慮滿足要求的I/O點數分配如表1所示。

表1 I/O點數分配表

2）程序設計

根據工藝流程圖，編制 PLC程序，程序應該能在設備調試過程中可方便的修改。根據系統要求，機床控制分為兩部分，一是自動加工狀態，用于正常的切削加工；一是調整狀態，用于機床調試和刀具的調整。調整狀態下，旋鈕 SA1 斷開X414，按下按鈕 SB2 和SB3，可實現油泵起動和停止；按下按鈕SB4和SB5可實現工件的夾緊和放松。按鈕 SB6- SB9，可實現左右滑臺的退進移動；按鈕SB10和SB11可實現動力頭的點動；SB12可實現工件的自動夾緊。

在機床的自動工作狀態時，第一步要確定滑臺是否在原位狀態，如果沒有需要調整到原位，可以通過機床總原位的指示燈HL2確認。第二步要旋轉按鈕SA1使得X414閉合，保證機床自動運行。然后裝好工件，按下自動夾緊按鈕SB12，電子閥Y5工作，工件夾緊，壓力繼電器KA1，X415閉合，Y1和Y3開始工作，左右滑臺同時前進，分別壓到行程開關 SQ3和 SQ6，于是工件開始前進，KM2、KM3接通，左右動力頭工作，進行切削加工，同時KM4接通，冷卻泵工作。當左右滑臺工進到最前端分別壓到行程開關SQ1、SQ4，同時Y1、Y3斷電，滑臺停止前進，延時3秒后，KM2 4斷開，左右動力頭和水泵停止，同時Y2、Y4接通，滑臺回退到原位開關后停止，兩滑臺都回退到原位后電磁閥 Y5斷開，Y6接通，工件松開，一個循環結束，重新安裝工件后繼續循環。為了保證安全，系統設置了急停按鈕，為防止意外事故的發生，按下急停按鈕SB1，PLC所有的輸出將全部停止。

4 結束語

PLC不僅在機床的控制領域，還在電氣控制中都會有非常廣泛的應用。它降低了機床運行故障率，提高了機床運行的穩定性和可靠性，大幅度的提升生產效率。它的編程控制可以大幅度降低人工操作，同時它運行的信號指示有利于準確的判斷故障發生的位置，為檢修節省了時間。

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