PLC在數(shù)控機床中的應用研究

PLC在數(shù)控機床中的應用研究
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摘要：針對PLC在機床中的廣泛應用，本文在介紹了三菱立式加工中心的大體情況后，在總體結構和過程描述層面上對PLC的應用情況進行了研究，同時對換刀過程和外側控制電路設計中的PLC梯形圖設計進行了具體的分析。實踐證明機床運行穩(wěn)定，可靠性高，為用戶所接受。
關鍵詞：數(shù)控機床、PLC、換刀

 電子與信息技術的不斷發(fā)展，給我國機床加工設備的現(xiàn)代化提供了強有力的技術支持。為了充分發(fā)揮設備效能，迅速提升加工技術與精度，在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中可編程控制器（PLC）是應用最廣泛的控制裝置，它PLC置于NC系統(tǒng)和機床之間，用模塊、變頻驅動技術、操控監(jiān)控設備等組成電氣數(shù)字控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)編程輸入、人機交互、自動化加工的控制方式，擴大加工能力，減少故障，提高效率，已成為企業(yè)進行技術改造的有效途徑。

1. 三菱立式加工中心
 VMC600型立式加工中心是采用三菱數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)的一種中規(guī)格、高剛性三軸聯(lián)動加工中心，配置三菱MELDAS64S數(shù)控系統(tǒng)，PLC編程指令豐富，功能強大，對用戶開放性好等優(yōu)點，運行速度快、控制可靠，且故障率低。
1.1總體設計
 VMC600型立式加工中心控制系統(tǒng)主要由控制單元、伺服機構、控制面板、機床外部信號、編碼器、刀庫、顯示器、手脈組成，控制系統(tǒng)采用內置PLC，將PLC集成到控制單元內，內部控制信號在CNC與PLC間雙向傳遞，伺服機構由CNC控制，編碼器將位置信號反饋到伺服機構，PLC控制操作面板、刀庫、機床外部信號�？刂撇糠植捎梦恢梅答伒陌腴]環(huán)控制方式。如下圖1所示：

圖1：控制系統(tǒng)
 其中控制單元由CNC與內置PLC構成，是數(shù)控機床的核心部分，通過與伺服裝置、操作面板、機床外部信號、刀庫等的連接實現(xiàn)信號的傳遞，利用PLC的輸入模塊、各種限位開關、脈沖編碼器等對加工過程及設備運行狀態(tài)進行實時數(shù)據(jù)采集、整理，然后傳送到控制單元進行數(shù)值運算，控制單元根據(jù)操作面板和顯示器的操作指令和前面的計算結果來完成各種加工過程以及加工過程的數(shù)據(jù)處理和顯示。PLC與CNC單元通過雙向通訊實現(xiàn)對機床的現(xiàn)場監(jiān)視、控制，實現(xiàn)控制單元內部信號的傳遞，完成加工過程中的信號處理和顯示。控制系統(tǒng)框圖2如下：

圖2：控制系統(tǒng)框圖
1.2系統(tǒng)過程描述
 本加工中心的梯形圖設計主要分成三部分：操作面板上信號控制的梯形圖設計；刀庫換刀控制過程的梯形圖設計；機床外側信號及執(zhí)行裝置控制的梯形圖設計。電氣控制線路的設計與連接包括機床外側輸入與輸出控制電路的設計和控制系統(tǒng)與伺服機構、控制面板、刀庫間的連接。
 首先根據(jù)輸入與輸出信號的功能要求進行定義與地址分配，把輸入和輸出信號地址分配完畢后，就可根據(jù)機床的具體實際工作過程進行梯形圖的設計。電氣控制線路的設計與連接，包括機床外側輸入與輸出控制電路的設計，以及控制系統(tǒng)與伺服機構之間的連接，控制系統(tǒng)與機床控制面板之間的連接，控制系統(tǒng)與刀庫之間的連接。梯形圖設計完成后，利用三菱PLC梯形圖開發(fā)軟件“GX Developer 7.0”的編輯，監(jiān)視功能對PLC控制程序進行編輯、修改完善程序，利用手動功能對程序控制對象的各項功能進行調試，使控制對象的功能設置準確、有效，輸入信號與輸出信號間的邏輯關系正確、觸發(fā)條件完善。確認各項控制功能設置準確無誤后，對加工中心試運行，全面檢查機床的功能及工作可靠性。
 
2. 換刀過程與外側信號功能控制
    加工中心刀庫換刀過程一般由PLC命令控制，利用PLC的基本命令和功能命令設計梯形圖來控制刀庫的換刀過程。機床外側的輸入信號則用于控制繼電器或接觸器線圈的通斷，指示燈的明滅，液壓閥電磁鐵的吸合的信號，通過設計相應的外圍電氣控制線路實現(xiàn)對機床外側執(zhí)行機構的控制。
2.1換刀過程分析
 根據(jù)刀具與刀庫的位置關系可將刀庫分成兩類：一類是刀具在刀庫中的位置固定不變；另一類是刀具在刀庫中的位置會發(fā)生改變，即當?shù)稁煨�轉時，刀庫號和刀具號之間的關系會發(fā)生改變。三菱系統(tǒng)PLC專用命令把握住換刀過程兩個基本動作：刀庫定位和旋轉。①定位即確定刀庫當前的位置；②旋轉即確定從刀庫當前刀位轉到目標刀位的旋轉方向和步數(shù)。
 對于第一類刀庫通常采用固定指針系統(tǒng)，刀庫旋轉時刀套與刀具號之間的關系是固定的，通過環(huán)形計數(shù)器記錄當前刀位的刀號來確定刀庫的位置，再根據(jù)T命令來給出要求變換的刀具號作為刀具目標刀號，由旋轉體轉位命令（ROT K1）來確定刀庫的旋轉方向和步數(shù)。對于第二類刀庫，刀具在刀庫的位置不唯一確定，換刀過程與第一類刀庫有所不同，首先由指針（記錄當前刀位號）確定刀庫位置，根據(jù)T命令給出的要求更換的刀號，由刀具搜索命令（ATC K1）找到所需要更換的刀號，利用該命令來確定刀庫旋轉的方向和步數(shù)，最后利用換刀命令（ATC K3、K4）將要求更換的刀具與被更換的刀具的數(shù)據(jù)進行互換。
2.2換刀應用
 VMC600型加工中心選用斗笠式刀庫，刀庫上可裝16把刀具。在這種形式的刀庫中，刀具在刀庫中的位置唯一確定，因此屬于第一類刀庫。換刀過程采用固定指針系統(tǒng)，通過環(huán)形計數(shù)器命令（ROT K3）記錄當前刀位的刀號來確定刀庫位置。利用旋轉體轉位命令（ROT K1）來確定刀庫旋轉方向和步數(shù)。然后通過換刀宏程序完成換刀過程。
 在刀庫旋轉時，利用環(huán)形計數(shù)器命令（ROT K3）記錄當前刀位的刀號來確定刀庫位置，由T命令來確定所要更換的刀具號，作為目標刀位的刀號，旋轉體轉位命令（ROT K1）的功能是根據(jù)（ROT K3）記錄當前刀位的刀號和命令來確定的目標刀位的刀號，確定并輸出刀庫旋轉的步數(shù)和旋轉方向（根據(jù)短路徑原則）。
2.3外側控制電路設計
 1）潤滑泵啟動（Y01）
 該信號用于控制潤滑泵電機的啟動與停止，控制電路工作過程輸出信號Y01經(jīng)過中間繼電器KA1來控制潤滑泵電機的啟動與停止。當PLC產生潤滑泵啟動（Y01）輸出信號時，首先中間繼電器KA1的線圈通電，中間繼電器KA1的常開觸點閉合，使?jié)櫥�泵電機的電源電路接通，電機啟動當潤滑泵啟動（Y01）輸出信號斷開時，電機停止。
 2）刀庫正反轉（Y04、Y03）
 這兩個輸出信號控制刀庫的旋轉方向，控制電路工作過程輸出信號經(jīng)過中間繼電器KA3、KA4來控制刀庫正、反轉。當PLC產生刀庫正轉（Y04）輸出信號時，中間繼電器KA4的線圈通電，中間繼電器KA4的常開觸點閉合，而中間繼電器KA4的常開觸點與交流接觸器KM4的線圈串接，使得交流接觸器KM4的線圈通電，從而使交流接觸器KM4的常開觸點閉合，于是刀庫電機的供電線路接通，電機正向啟動刀庫正轉（Y04）信號斷開時，電機停止。當PLC產生刀庫反轉（Y03）輸出信號時，經(jīng)過類似的控制過程，交流接觸器KM4的常開觸點閉合，使刀庫電機的供電線路換相接通，電機正向啟動。
 3）伺服啟動（Y0B）
 該信號用來控制主軸驅動器及X、Y、Z軸驅動器的啟動，控制電路工作過程輸出信號經(jīng)過中間繼電器KA1來控制，PLC產生伺服啟動（Y0B）輸出信號時，首先中間繼電器KA11的線圈通電，中間繼電器KA11的常開觸點閉合，使交流接觸器KM1、KM2開始工作，從而主軸驅動器及X、Y、Z軸驅動器的供電線路接通，給伺服系統(tǒng)上電。
2.4外側輸出信號傳輸方式
 機床外部輸入信號經(jīng)過轉接板，使用電纜R301連接到基本I/O單元的CF31口，通過CF10，CF11口與CNC控制單元連接，將輸入信號傳遞到控制單元，告知控制單元機床的工作狀態(tài)輸出信號通過，CF10，CF11口與基本I/O單元連接，再由基本I/O單元的CF33口經(jīng)過轉接板傳遞到機床外部，控制機床外部執(zhí)行機構的動作。
 
3. 調試
 按照要求檢查數(shù)控控制柜及現(xiàn)場接線，接下來就是實施成套設備聯(lián)機調試，在通電的同時，為了安全應做好按壓急停按鈕的準備，隨時切斷電源。調試通常有下面幾個步驟：1）通電試車。通電后首先觀察有無報警，然后用手動方式陸續(xù)啟動各部件，試試各導軌的運行是否正常，部件是否正常運轉，各種安全裝置是否起作用。2）程序調試。通過RS-232通訊接口將事先編制的梯形圖送入控制系統(tǒng)，監(jiān)視功能對梯形圖程序進行調試。3）伺服系統(tǒng)的調試。為了使機床高效運行，還應進行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等工作，需要對相應的坐標軸等參數(shù)優(yōu)化調整，以使系統(tǒng)進人最佳工作狀態(tài)。4）機械調試。目的是使機械系統(tǒng)達到最佳。
 
4. 總結
 通過整機在帶一定負載的條件下，經(jīng)過48小時的連續(xù)自動運行，如無故障出現(xiàn)，則表明機床的穩(wěn)定性達到要求，經(jīng)過對型立式加工中心的試運行，驗證了機床的可靠性與穩(wěn)定性。實踐證明，采用三菱系統(tǒng)PLC通過所設計的WMC600型立式加工中心梯形圖程序可以準確有效地完成對本加工中心的控制，具有通用靈活、功能完善穩(wěn)定性好和操作簡便等特點，易為廣大機床用戶所接受。

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