基于PLC技术的机床控制应用.pdf

骞 、 l 匐 化 基于P L C 技术的机床控制应用 Appl i cat i on of m achi ne t ool con t r ol based on PL C t ech nol ogy 曾葵 ZENG Ku i 四川建筑职业技术学院，德阳 6 1 8 0 0 0 摘要按照传统的控制方式，机床加工过程中的故障发生率较高，而依托于可编程逻辑控制器的控 制系统不但故障率低，同时还具有编程简单、便于维护、功能强大等优势。本文首先对P L C 结构及工作原理、组合机床工作原理及流程进行介绍，之后对PL C 在组合机床中的控制应用 进行了深入阐述。 关键词PL O；机床控制；应用 ’ 中图分类号T H 1 3 8 ． 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 1 0 上 -O l 2 9 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 5 l ／ J ． is s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 0 上 ． 4 1 0 引言 在机床加工实践 中，组合机床由于采取多轴 、 多刀、多面 和多工位加工 方式，使得其在生产效 率方面与常规机床相 比较而言 ，有明显提升。当 前组 合机床 的零部件 已经 实现 了标准化及 系列化 生产，可 以按照实 际需求选择配 置，设计及制造 时间得到有效控制，所以 ，组合机床不但效率高 ， 而且 成本低，在实践 中的应用范围越 来越广。传 统组合机床 对加工过程 的控制主要是借助继 电器 逻辑 线路实现的，故障发 生率较 高，对生产效率 造成不利影响。 1 理论概述 1 ． 1 P L C 结构及工作原理 P L C，即可编 程逻辑 控制器 ，主要 涉及到 中 央处理器、输出及输入单元、储存器 、通信接 口、 扩展接 口以及电源等部件。其 中，可编程逻辑控 制器 的核心 部件 为中央处 理器 ，在输入 、输 出设 备 以及 中央处理器之 间连接有输入单元 以及输 出 单元 ，与外部设置 例如编程器以及上位计算机 等的连接 则是通过通信接 口实现 的 u 。 以各部件 连接方式为主要依据 ，可 以将可编程逻辑控制器 划分为整体 式以及模块 式两种类型。其 中，整体 式 P L C是将全部零 部件集 中安 装于一个机 壳 中， 而模块式 P L C则是对不同的零部件进行独立封装 之后 ，将其安装在导轨或者是机架上 ，再借助总 线实现相互间的连接 。 可编程逻辑控制器 几大关键硬 件主要有 中央 处理器 、电源、存储器、I ／ O接 口电路以及通信接 口 ，其 中最为关键的硬件就是 中央处理单元 。中 央处理单元控制着相关运算以及整个系统，对编 程器、外设接 口、I ／ 0扩展接 口以及 I ／ O接 口等的 控制主要是借助地址总线、控制 总线 以及数据 总 线等实现的 p J 。可编程逻辑控制器对 系统工作进行 指挥的主要依据是系统程序，在每个扫描 周期 中 需要进行输 入处理、程序执行 、输出处理等工作 ， 此外还需要对相关外部设备 发出的工作请 求进行 处理 。电源的主要作用是对外部输入的交流 电进 行整流、滤波 以及稳压 等处理 ，进而得到可编程 逻辑控制器内部工作所 支持 的直流电源电路或者 是电源模块 ，对于系统 的有效运行而言，电源发 挥着不容忽视的关键作用。通常情况下 ，如果交流 电压的波动幅度不超过 1 0 ％，便可 以直接将可编 程逻辑控制器与交流电网进行连接。存储器 包括 用户程序存储器以及功能存储器两部分 l 5 】 ，前者的 主要作用是对用户借助编程 器输入 的相关程序进 行保存 ，后者的主要作用是对用户数据进行保存。 I ／ O接 口电路主要包括光耦合电路 以及微机的输入 接 口电路两部分 ，其主要作用是充 当连接可编程 逻辑控制器 和现场输入及输 出设备的接 口或模块 ； 输 出接 口电路的主要作 用是 向输 出端执行 元件传 输经过 中央处理单元处理的输 出信号。通信接 口的 主要作用是支持与打印机或 者是监视器等相关设 备的连接 ，以确保相应功能的有效实现。 P L C的基本工作原理 P L C正常工作过程大致 可以划分为输入采样 、用户程序执行以及输出刷新 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 - 0 3 作者简介曾葵 1 9 5 8 一，男，四川成都人，副教授 ，本科，研究方向为机械设计。 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 2 - 1 0 上 [ 1 2 9 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 等三大阶段 ，此三个阶段 构成一个 扫描 周期。在 P L C的运行过程中，其 中央处理单元可以按照既定 的速度对该三阶段进行重复执行。输入采样阶段 ， 主要是对输入映像区进行建立及更新。通过扫描 ， 可编程逻辑控制器对全部的输入状态以及相关数据 进行读取，之后在 I ／ 0映像区对应的单元中对所读 取的结果进行保存。完成输入采样操作之后 ，便进 入到用户程序执行阶段以及输出刷新阶段，在这两 个阶段 中，即便是改变输入状 态以及相关数据，I ／ O映像 区中对应单元的状态及数据也是保持不变 的，并不会随之发生变动。将输入端 口关闭之后便 进入程序执行阶段。用户程序执行阶段 ，可编程逻 辑控制器对用户程序进行扫描是按照从上到下、由 左至右的顺序进行的，在对各条梯形图进行扫描的 过程 中，首先会对位于梯形图左部的有所有触点所 组成的控制线路进行扫描 ，同时开展控制线路逻辑 运算，之 后以所得到的逻辑运算结果为主要依据 ， 对系统 R AM 存储区中逻辑线圈向对应的状态进行 刷新，并在元件映像区中输入所获得的相关结果。 输出刷新阶段，中央处理单元对相关的输出锁存电 路进行刷新操作的主要依据是 映像区中所对应 的状态以及数据 ，在此基础之上借助输出电路对对 应的外设进行驱动。如果逻辑变量在一个完整的扫 描周期 中并未发生任何状态上的改变，该周期所输 出的信息就与上一周期输出的周期之间就没有任何 区别 ，从而相对应的元件状态也会保持不变 州。 1 ．2组合机床工作原理及流程 以功 能为主要依据，可 以将通用部件划分为 动力部件、支撑部件、输送部件、控制部件以及辅 助部件等类型。其 中动力部件主要包括动力箱、动 力滑台以及切削头，其主要作用是向组合机床提供 主运动以及进给运动。实践中比较常见的机床主要 包括床身、中间工件夹紧装置、左右工位滑台、左 右动力系统、冷却排屑系统以及液压系统等。主电 路由四台电机构成，其中，油泵主要作用是向左右 工作台提供动力，使其可以顺利实现前进、后退以 及工件夹紧操作 ；左、右动力头 电机主要负责切削 及加工 ；冷却泵在 自动工作状态下 ，首先将液压油 泵启动 ，对总原位进行确认之后，依次进行人工上 料 、工件夹紧 ，左右工位 滑台前进 ，并启动冷却 泵 ，在完成加工程序之后，主轴延时旋转也会随即 停止 ，当滑台以及工位均退至原位之后，工件将会 自动松开 ，一个循环过程随即结束。 [ 1 3 0 ] 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 上 按照机床加工需求 以及工艺要求 ，第一步要 对机床工作状态进行确认 ，机床主要有自动、半 自 动 、自动循环 以及循环次数设定等四种工作状态 ； 第二步就是选择加工方式 ，先将开始键按下 ，对机 床进行 自动调整，若存在故障也可以手动调整，机 床原位复位确认之后，夹紧工件，循环加工开始 ， 左右滑台以及工件前进，工件加工结束之后 ，滑台 延时后退，当滑台位于原位之后 ，并且左右两滑台 都退到原位后 ，工件松开 ，循环过程结束。以事先 所设定的循环次数为主要依据，随即进入到下一个 循环过程 ，如此反复，直至完成工件加工过程 。 2 基于P L C的机床控制应用分析 2 ． 1组合机床中P L C 的应用情况 可编程逻辑控制器的主要优点有编程简单、 便于使用 、安全可靠 ，并且具有强大的控制功能， 当前在机床工业生产中的应用范 围不断扩大。于 机床而言 ，机床 自身对精准度以及 可靠性发挥着 决定性作用 ，但是 ，所选择 的控制 系统在很大程 度上影响着机床的精准 度以及可靠性 ，尤其是对 于提升生产效率作用更为显著 。 2 ． 2 P L C 控制系统分析及设计 本文选择 日本三菱公司研发的 F 1系列可编程 逻辑控制器进行分析。按照 系统工作流程 ，在机 床工作时，电磁 阀控制着滑台的移动以及工件的 夹 紧，其 中，左滑 台的前进 由Yl控制，后退 由 Y 2控制 ，右滑台的前进及后退则分别由 Y3和 Y4 掌握 ，工件的夹紧及张开则分别由 Y5和 Y 6控制。 当工件夹紧时 ，压力继 电器处于吸合状态，在工 件夹紧得到确认之 后，才可以前后移动左右两个 滑轮。在进行加工作业 的时候 ，将 系统压力降低 至设 置的压 力值 ，KAI将处于 断开状 态，此时， 滑 台以及动力头 的工作 随即停止 ，以避免 出现工 件飞 出事故，造成人身伤亡。 2 ． 2 ． 1确定输入及输出点数 可编程逻辑控 制器 I ／ O通道分配 的主要依据 为控制对象，即满足生产机械作业过程及生产工 艺需求的控制元件 ，比较常见的有继 电器 以及开 关按钮等，通常情况下不涉及诸如接触器等容量 较大的执行元件。一般而言 ，为确保达到更高的 效率，需要在满足控制需求的基 础之上，尽可能 的控制可编程逻辑控制器的硬件连线数量，所以， 【 下转第1 3 7 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 出 3 结束语 本文介绍了塔吊模拟培训系统的开发过程。利 用操作手柄和按钮可以控制计算机中的塔 吊进行操 作，实现塔 吊各机构和吊重的真实感运动 。本系统 按照国家有关标准设置训练和考核场景 ，并提供提 示与帮助信息，帮助培训人员独立地完成受训项 目 的操作。先用本系统进行模拟培训 ，再进行真机培 训可以极大地降低培训成本 ，降低油耗。 本系统属于桌面级 的虚拟现实 系统，优点是 成本低，缺点是沉浸 感相对较 低，将来可 以将力 反馈等装置加入到系统中以提高沉浸感。 参考文献 [ 1 】孟宪颐， 刘勇． 虚拟现实技术在塔机司机训练培训中的 应用 [ J 】 ． 2 0 0 6 ． 中国工程机械学报． 4 4 4 4 4 4 4 7 ． 【 2 】夏 显明， 陈宁， 佘建 国， 等． 基于Mu l t i Ge n C r e a t o r ； I V e g a 工程机 械仿真研究[ J ] ． 2 0 0 5 ． 江苏科技大学 学报 自然科 学版 ． 1 9 6 7 9 8 3 ． 【 3 】魏 国前． 起重机模拟培 训系统若干关键技 术研 究[ D 】 ． 武 汉理工 大学． 2 0 0 7 ． 【 4 】中华人 民共 和国建设 部． 塔式起重 机驾驶 员 技师 【 M] ． 北京 建筑工业 出版社． 2 0 0 5 ． 【 5 】桥 式起重机 吊重二 自由度摆角模型 与仿真【 J ] ． 2 0 0 6 ． 西 南 交通 大学学报 ． 4 1 6 6 9 6 6 9 9 ． 【 6 ]高丙 团， 陈宏钧， 张晓华． 龙 门吊车系统的动力学建模 [ J 1 ． 2 0 0 6 ． 计算机仿真． 2 3 2 5 0 5 2 ． [ 7 】小车 吊重 系统摆 振动力学模 型及仿真 【 J ] ． 2 0 0 7 ． 计 算机 仿真 ． 2 4 1 1 3 1 6 3 1 9 ． [ 8 】魏 雨龙． 岸边 集装 箱装卸桥 吊具减摇装置 的研 究【 D 】 ． 上 海海事 大学． 2 0 0 5 ． { 函‘ { { { { {矗‘{ {盘‘ {矗‘ {重‘ 蠡‘ { { { { { {岛● { { {缸{ { {出‘ 【 上接第1 3 O 页】 就需要对输入及输 出接 口点数 ，也就是 I ／ O点数进 行适当的控制。通过减少 I ／ O点数 ，一方面有助于 实现对可编程逻辑 控制器成本的有效控制 ，另一 方面，还可 以保 留必要 的可编程逻辑控制器输入 及输出空间，为之后进行功能升级奠定基础。 2 ． 2 ． 2程序设计 对可编程逻辑控制器程序进行编制 ，要确保在 调试设备的过程 中可以方便地修改程序。结合系统 的具体要求，将机床控制划分为 自动加工状态以及 调整状态两部分。其中，自动加工状态主要适用于 常规的切削加工情况，而调整状态则主要适用于调 整刀具 以及调试机床等情况。当处于调整状态时 ， 要想 启动或 停 止油泵 ，只需要将 X4 1 4断开 ，将 S B 2以及 S B 3两个按钮按下即可；要想夹紧或放松 工件 ，则需要将 S I M 以及 S B 5两个 按钮 按下；掌 握左滑台以及右滑台前进和后退的是 S B 6 -- - S B 9等 几个按钮 ，动力头点动则由 S B1 0和 S B1 1 控制，工 件 自动夹紧受 S B1 2控制。在机床处于 自动工作状 态的情况下，首先要对滑台状态进行确认 ，如果滑 台没有处于原位状态，需要将其调整至原位，并借 助机床总原位指示灯对其进行确认 ；其次 ，通过对 S A1 按钮进行旋转，达到闭合 X 4 1 4的 目的，确保 机床 自动运行；对工件进行安装，将 S B1 2按钮及 自动夹紧按钮按下 ，使电子阀处于工作状态，闭合 压力继电器 K A1 以及 X4 1 ，两个滑台共同前进，分 别压到行程开关 S Q3 和 S Q 6 ，此时工件将前进，接 通 KM2以及 K M3 ，左右动力头工作，执行切削操 作，并接通 K M4 ， 启动冷却泵。系统特别安装了急 停按钮 ，当遇到意外状态的时候 ，只要将 S B1 按钮 按下，可编程逻辑控制器全部输 出随即被停止，从 而可以有效避免出现意外情况，确保运行安全性。 3 结束语 P L C在机床控制领域 以及 电气控制领域均有 较大影 响力，可 以实现对机床运行过程 中故障发 生率的有效控制，提升运行稳定性及 可靠性 ，基 于 P L C的机床控制已经成为未来发展的一大趋势 。 参考文献 【 1 】苟群德， 杨超君， 王宏睿， 禹建勇， 叶镇 ． 基于P L C的六工 位组合机床 的控 制系统设 计【 J 1 ． 组合机床与 自动化加工 技术． 2 0 0 9 0 7 ． 【 2 ]秦 常贵 基 于P L C的组合机 床 的电气控 制 系统 设计 【 J 1 ． 机 电产 品开发与创新． 2 0 1 1 0 3 ． 【 3 】麦艳红， 钟文． P L C 在半精镗床专用机床控制中的应用I J 1 ． 电气 自动化． 2 0 0 6 0 4 ． 【 4 】李法光， 孙建业， 祝辉． 组合机床专用数控系统的开发 [ J ] ． 沈阳理工大学学报． 2 0 l 1 0 3 ． [ 5 】李俊秀 ， 赵黎 明． 可 编程控制 器应用 技术实 训指导【 M] ． 化学工业 出版社， 2 0 0 2 ． 【 6 】袁 日寿， 王正． P L C 在组合机床上的应用综述[ J ] ． 可编程 控制器与工厂 自动化， 2 0 0 8 ， 0 6 ． 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 -1 0 上 [ 1 3 7 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m