基于PLC的專用機床控制系統(tǒng)設(shè)計

王 榮

（鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城224002）

目前國內(nèi)許多廠家的自動控制系統(tǒng)及加工機床都采用PLC控制。汽車行業(yè)的一汽、二汽，早在八十年代中后期就大力著手用可編程控制系統(tǒng)代替繼電器控制系統(tǒng)。而我國大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備也都是用機床加工完成[1]。如果采用傳統(tǒng)的繼電接觸控制，不僅工作可靠性差，而且對環(huán)境適應(yīng)能力低，在國內(nèi)外市場中缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益。將PLC控制應(yīng)用在現(xiàn)在的機床加工流程上則可以大大提高生產(chǎn)效率[2~3]。本文主要研究凡爾座圈專用機床的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計。該機床生產(chǎn)的整個流程是順序執(zhí)行，動作部件主要是尾架、前刀架、后刀架、卡盤，由PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，分為硬件和軟件兩部分，主要設(shè)計方法是順序流程圖設(shè)計法。

1 凡爾座圈專用機床概述

1.1 凡爾座專用機床

油田開采是當(dāng)今備受關(guān)注的一個話題，也是一個功在當(dāng)代，利在千秋的長期工程。石油大多數(shù)都埋藏在沉積盆地內(nèi)，進入油田開采后，面對各種類型的油氣田，如何進行開發(fā)及油田開采設(shè)備的選擇都是直接影響生產(chǎn)和效率的一個關(guān)鍵步驟。凡爾是開采設(shè)備中不可或缺的零件，開采時，凡爾與鉆井泵相結(jié)合，可以完成循環(huán)鉆井、沖洗井底，冷卻鉆頭和隱固井壁，在噴射鉆井時還有破碎巖屑的作用。凡爾座及鉆井泵的好壞，直接影響了鉆井生產(chǎn)和進度。凡爾座圈專用機床是一種專門用來生產(chǎn)凡爾座圈的加工機床，主要由床身、主軸箱、轉(zhuǎn)塔尾架、前刀架、后刀架和料斗等部件組成。機床的加工原材料是成段鋼，先給機床設(shè)計一個可以實現(xiàn)自動控制的PLC程序，通過程序及人工控制，當(dāng)坯料放于料斗中，機床可以實現(xiàn)自動加工凡爾座[4]。

1.2 機床加工工作循環(huán)

凡爾座圈專用機床主要動作部件分為尾架、卡盤、前刀架、后刀架、推料缸五大塊。各部件快進、快退、工進等動作都根據(jù)工件的加工的要求通過輸出端的電磁閥的通斷電來控制各部件的動作。加工一個零件的全部工步繪在工作循環(huán)總圖1中，其由14個工步組成。如圖1所示工作循環(huán)總圖中應(yīng)該注意兩點:

（1）前刀架未設(shè)原位行程開關(guān)。這個開機原位條件應(yīng)人工判斷其是否滿足。

（2）程序(或工序)有兩種不同延時時間：在加工坯料前5段座圈時取延時2 s；在加工最后一段座圈時則要取延時5 s。工作循環(huán)流程如圖1所示。

圖1 加工零件的工作循環(huán)總圖

擇延時時間的不同也是本機床控制的特殊要求，由于本機床已經(jīng)配置了裝卸機構(gòu)，每次工作循環(huán)中經(jīng)第13程序后刀架工進切割后，已加工完成的一個座圈便自動落入料倉，這是自動卸料；而當(dāng)推料液壓缸退回原位時，送料機便自動送入一段坯料至推料液壓缸讓出位置，這個送入坯料的工作是安排在第二道程序中進行的，這是自動裝料。由于每一段坯料可以加工6個座圈，因此每當(dāng)完成6個座圈加工后，在進行第七個座圈機械加工前就得完成送坯料的過程。

由此可見，為了實現(xiàn)上述自動要求就必須考慮到加工每段坯料的前6個座圈與第7個座圈的工作循環(huán)區(qū)別。這個區(qū)別主要是在程序第二段延時的時間不同。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要分為以下幾個部分[5]：

（1）分析控制要求，確定輸入輸出點的個數(shù)，選擇PLC機型，做出I/O分配表。將控制過程分為若干個工作步，明確每個工作部件的功能，明確再步的轉(zhuǎn)換是單向進行還是多向進行（選擇或并行序列），并確定各步轉(zhuǎn)換條件。

（2）為每步設(shè)定控制位。控制位最好使用同一通道的若干連續(xù)為位。若用定時器/計數(shù)器的輸出作為轉(zhuǎn)換條件，則先確定各定時器/計數(shù)器的編號和設(shè)定值。

（3）根據(jù)控制要求畫出順序功能圖，結(jié)合順序功能圖畫梯形圖。

2.2 控制系統(tǒng)的I/O分配

機床加工流程是順序執(zhí)行，由于工藝流程每步執(zhí)行動作都是由機床的一個部件完成，動作一經(jīng)完成，就會有狀態(tài)輸入變化，在本設(shè)計中，主要是由各部件的限位開關(guān)輸入量的變化來控制系統(tǒng)運行，根據(jù)圖1可以確定輸入點數(shù)是11個。而輸出量主要是電磁閥，電磁閥主要是用作機床加工的驅(qū)動，以保證工進、快進、快退各動作的順利完成，還有時間繼電器可以由PLC內(nèi)部提供，所以主要有9個輸出電磁閥，即9個輸出量。然后由輸入端輸入量及輸出端的被控制量及可編程控制器的外部輸入輸出連接PLC的外部接線。

3 控制系統(tǒng)的軟件編程

3.1 凡爾座圈專用機床各部件的梯形圖及PLC控制程序

很多控制系統(tǒng)具備多種工作方式，如既能手動的循環(huán)運行一個過程，也能進行手動的操作運行一個工作步。根據(jù)凡爾座圈專用機床的控制的兩個特殊要求，延時時間的不同選擇主要是靠選擇結(jié)構(gòu)的分支語句完成。從不同部件的分工及循環(huán)動作我們將整個工件的加工過程分別劃分為尾架、卡盤、前刀架、后刀架、推料缸五部分的運動。

根據(jù)圖2所示的各部件工作循環(huán)圖可以得到相對應(yīng)的梯形圖。尾架的動作順序主要是尾架快退、快進、工進切削、快進擋料。當(dāng)尾架快進擋料到位時壓下行程開關(guān)SQ1，尾架開始快退，快退到位壓SQ2，此時尾架開始執(zhí)行快進，當(dāng)尾架快進到SQ3時壓下SQ3，然后再工進切削到SQ1時壓下限位開關(guān)SQ1，尾架快退，快退到位壓下限位開關(guān)SQ2，最后開始執(zhí)行快進擋料。當(dāng)20006通道為on且行程開關(guān)00102動作，并且20008通道為off時，則20007線圈會被接通，意味執(zhí)行尾座快進動作，并使電磁閥01002通電、電磁閥01003斷電，進入尾架快進狀態(tài)。如圖3所示。當(dāng)卡盤處于夾緊狀態(tài)即20005通道為on且行程開關(guān)00111動作，并且20007通道為off時，則20006線圈會被接通，意味執(zhí)行尾座快退動作，并使電磁閥01002、01003斷電，進入尾架快退狀態(tài)。當(dāng)20007通道為on且行程開關(guān)00103動作，并且20009通道為off時，則20008線圈會被接通，意味執(zhí)行尾座工進動作，并使電磁閥01002、01003通電，進入尾架工進狀態(tài)，如圖4所示。

圖2 各部件工作循環(huán)

圖3 尾架快進梯形圖

圖4 尾架工進梯形圖

在加工工件的循環(huán)圖中，程序的第二步延時時間的選擇是由定時器001對脈沖進行計數(shù)，并用跳轉(zhuǎn)指令實現(xiàn)分支程序的選擇。如果一個周期內(nèi)工件加工的個數(shù)在1~5之內(nèi)，則實現(xiàn)梯形圖中第一個JMP跳轉(zhuǎn)指令延時2s；若是加工第6斷坯料，由于要比之前多一步加料的過程所以選擇延時5 s，跳轉(zhuǎn)到第2個JMP指令執(zhí)行。

4 結(jié)束語

PLC控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)專用機床自動工藝流程，并能方便地改變工藝流程。將PLC控制系統(tǒng)運用于專用機床控制意義在于，不會造成機床的長期停機，特別是在產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造時，不需要改動現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備及外部接線，只要在軟件上修改相應(yīng)的程序就能實現(xiàn)控制。

[1]陳達華.各國PLC在工控領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].基礎(chǔ)自動化，2006，26-31.

[2]耿良田.PLC的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].數(shù)字化工，2005(8):12-16.

[3]展海瑜.PLC控制在軋輥車床進給傳動中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機床，2011（8）:89-91.

[4]《機床設(shè)計手冊》編寫組.機床設(shè)計手冊:第三冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，1986．

[5]陳立定，等.電氣控制與可編程控制器的原理及運用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.