基于PLC的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)設(shè)計

李烈熊

(福建船政交通職業(yè)學院,福建 福州350007)

可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是一種適用于工業(yè)環(huán)境的數(shù)字運算操作系統(tǒng),在操作系統(tǒng)內(nèi)采用可編程存儲器,實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令的高效執(zhí)行,通過數(shù)字式或模擬式的數(shù)據(jù)輸入和輸出來控制不同類型的機械設(shè)備及生產(chǎn)過程。盡管PLC產(chǎn)品的應用較為廣泛,但是目前我國工業(yè)自動化程度依然較低,導致在利用PLC進行邏輯關(guān)系優(yōu)化時,傳統(tǒng)繼電器的使用并不能實現(xiàn)自動化控制[1,2]。同時傳統(tǒng)工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)在加工速度方面有待提高,可見當前技術(shù)已不能滿足企業(yè)生產(chǎn)過程中的實際控制[3]。因此,利用PLC技術(shù),對整個控制系統(tǒng)程序進行修改和優(yōu)化,在節(jié)約控制時間的同時縮減控制成本,在實現(xiàn)控制工業(yè)機床自動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提高系統(tǒng)的運行效率,從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率,通過

實驗證明所設(shè)計系統(tǒng)具有一定的市場前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

首先對工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)的硬件部分進行優(yōu)化,主要包括電源設(shè)計、傳動電路設(shè)計以及PLC控制器的選取,所設(shè)計的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

圖1 控制原理圖

1.1 電源設(shè)計

需根據(jù)工業(yè)機床的運行要求以及自動化控制設(shè)計的相關(guān)標準,來優(yōu)化系統(tǒng)電源電路[4-6]。在設(shè)計過程中,采用220 V伺服變壓器對電路進行設(shè)置,結(jié)合伺服驅(qū)動模塊,合理調(diào)節(jié)電壓值,同時在接觸器進行供電時,使用110 V控制變壓器,并通過整流器實現(xiàn)整個供電電路的運行。其中,有兩條電路采用220 V電壓,這兩條電路的作用是為工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)的電氣箱冷卻機和直流繼電器持續(xù)供電。至此,完成了電源電路的優(yōu)化。

1.2 傳動電路設(shè)計

在優(yōu)化傳動電路時,需要合理定位機床中心直線坐標,同時需要合理提供切削機床的供給量,并在半閉環(huán)控制模式的基礎(chǔ)上,完成對傳動電路的設(shè)計。在半閉環(huán)控制模式中,工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)能夠獲取準確的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息,從而合理把控數(shù)控機床的操作位置[7,8]。利用半閉環(huán)控制方式能夠在一定程度上提高工業(yè)機床刀具在進行零件加工時的準確性和高效性,從而進一步保障工業(yè)機床控制系統(tǒng)的順利進行。

1.3 PLC選型

在進行工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)設(shè)計時,選用三菱9-312作為系統(tǒng)所需的PLC產(chǎn)品,這款產(chǎn)品性能好、擴展性能全面,具有較強的針對功能。在系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制的過程中,共涉及12個輸入端口和9個輸出端口,為了系統(tǒng)順利完成I/O的輸入與輸出,設(shè)計I/O輸入分配表和I/O輸出分配表,詳細信息如表1和表2所示。

表1 I/O輸入分配表

表2 I/O輸出分配表

至此,完成對工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 工業(yè)機床控制參數(shù)設(shè)計

在完成工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上,對其軟件部分進行優(yōu)化,首先設(shè)置工業(yè)機床控制參數(shù)。改變PLC內(nèi)部存儲器中的原始參數(shù),將實際的機床參數(shù)與工業(yè)機床參數(shù)說明表上的型號一一對應,并在PLC控制工業(yè)機床自動系統(tǒng)中,設(shè)置30個工業(yè)機床的儲存量,至此,生成工業(yè)機床參數(shù)說明表。在機床寬度為20 m的情況下,工業(yè)機床參數(shù)說明表中所存儲的機床數(shù)量為30個,機床型號分別為1號～30號,每個機床所對應的參數(shù)為TAB～TAB+30,計算機在選取機床TAB值時,均能正確選取到對應的機床型號,而實際的機床則被虛擬的計算機地址所代替?；谏鲜鲞^程,通過結(jié)合工業(yè)機床的系統(tǒng)參數(shù)以及驅(qū)動參數(shù),有效避免了機床自動化控制過程中容易發(fā)生的位置錯誤故障。

2.2 機床自動控制方式選擇

利用T指令對機床自動控制方式的選擇進行優(yōu)化。首先采用T指令對系統(tǒng)編程所產(chǎn)生的控制參數(shù)進行調(diào)配,得到指令T01、T02……T030,分別對應1、2……30型號的工業(yè)機床,當工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)接收到T指令后,便指導PLC選取機床自動控制方式。在進行控制方式選擇的過程中,PLC內(nèi)部計數(shù)器在1～30號工業(yè)機床之間相繼轉(zhuǎn)換,通過掃描PLC內(nèi)的轉(zhuǎn)換過程,識別正確的機床型號。由此可見,在選擇機床自動控制方式時,通過采用T指令掃描PLC的方式,對T指令進行轉(zhuǎn)換編程,從而完成對機床自動控制方式的選擇。

2.3 基于PLC實現(xiàn)工業(yè)機床自動控制

在完成掃描PLC產(chǎn)品內(nèi)的轉(zhuǎn)換過程后,將轉(zhuǎn)換后的機床型號重新編號,并存儲在三菱9-312中,當工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)執(zhí)行下一個指令T時,對轉(zhuǎn)換后的機床進行檢索,整個檢索流程如圖2所示。

圖2 TABLE流程圖

通過圖2可以看出,在實現(xiàn)機床控制轉(zhuǎn)換之后,即可得到一個TAB+計數(shù)器的參數(shù)描述方式,這種方式能夠更加有效地展示出工業(yè)機床運轉(zhuǎn)過程的參數(shù)信息,從而實現(xiàn)工業(yè)機床的自動控制。至此,完成了基于PLC的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)設(shè)計。

3 對比實驗

為了研究基于PLC的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)的應用性能,將此次設(shè)計的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)作為實驗組,選取兩個傳統(tǒng)工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)(文獻[7]設(shè)計的系統(tǒng)和文獻[8]設(shè)計的系統(tǒng)),作為對比實驗的對照1組與對照2組。

3.1 實驗準備

選取韌性較高、強度適中的工程塑料作為實驗材料,以模擬實際機械手臂的加工材料。除了工程塑料外,實驗還用到了三維運動機械、空氣壓縮機、電腦設(shè)備、刀具臺以及可編程控制器等設(shè)備。在實驗過程中,將機床自動化系統(tǒng)裝置的三芯電源插頭安置在電源電路中,為機械手臂裝置的加工提供電量。確保準確連接各個實驗設(shè)備,打開電源開關(guān),對整個加工過程進行編譯?；谏鲜鲈O(shè)定,分別運用三種系統(tǒng)完成對機械手臂的自動控制,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)以供結(jié)果分析。

3.2 實驗結(jié)果及分析

采用基于PLC的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)對機械手臂進行加工,記錄相同時間內(nèi)三種系統(tǒng)下的加工速度,得到加工速度的對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)下的機械手臂加工完成度

通過分析圖3可知,三種系統(tǒng)的加工曲線均呈現(xiàn)上升趨勢,在91s時,基于PLC的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)進行加工機械手臂的完成度高達100%,率先完成了對機械手臂的加工。在同一時刻下,文獻[7]設(shè)計的系統(tǒng)進行機械手臂加工的完成度為67%,而文獻[8]設(shè)計的系統(tǒng)進行機械手臂加工的完成度僅達到55%。通過對上述數(shù)據(jù)可知,基于PLC的工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)的加工速度最快,由此可見,運用本文設(shè)計系統(tǒng)進行工業(yè)機床自動控制具有一定的高效性。

結(jié)束語

本文通過采用PLC技術(shù),有效解決了傳統(tǒng)工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)所出現(xiàn)的加工速度慢的問題,從而改進工業(yè)加工自動控制系統(tǒng)的整體性能?；赑LC技術(shù),分別從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面,對工業(yè)機床自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化,通過實驗結(jié)果分析可知,所設(shè)計系統(tǒng)在一定程度上可以有效優(yōu)化傳統(tǒng)工業(yè)機床控制系統(tǒng)的應用性能,使其逐漸被PLC所替代,繼而滿足現(xiàn)代工業(yè)控制對于高度柔性的需求。PLC技術(shù)的應用為我國工業(yè)機床自動化控制的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。