基于PLC的專(zhuān)用機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)內(nèi)許多廠家的自動(dòng)控制系統(tǒng)及加工機(jī)床都采用PLC控制。汽車(chē)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(guó)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(jī)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(duì)環(huán)境適應(yīng)能力低，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益。將PLC控制應(yīng)用在現(xiàn)在的機(jī)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(zhuān)用機(jī)床的PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該機(jī)床生產(chǎn)的整個(gè)流程是順序執(zhí)行，動(dòng)作部件主要是尾架、前刀架、后刀架、卡盤(pán)，由PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，分為硬件和軟件兩部分，主要設(shè)計(jì)方法是順序流程圖設(shè)計(jì)法。

1 凡爾座圈專(zhuān)用機(jī)床概述

1.1 凡爾座專(zhuān)用機(jī)床

油田開(kāi)采是當(dāng)今備受關(guān)注的一個(gè)話題，也是一個(gè)功在當(dāng)代，利在千秋的長(zhǎng)期工程。石油大多數(shù)都埋藏在沉積盆地內(nèi)，進(jìn)入油田開(kāi)采后，面對(duì)各種類(lèi)型的油氣田，如何進(jìn)行開(kāi)發(fā)及油田開(kāi)采設(shè)備的選擇都是直接影響生產(chǎn)和效率的一個(gè)關(guān)鍵步驟。凡爾是開(kāi)采設(shè)備中不可或缺的零件，開(kāi)采時(shí)，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(shí)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(jìn)度。凡爾座圈專(zhuān)用機(jī)床是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)生產(chǎn)凡爾座圈的加工機(jī)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(jī)床的加工原材料是成段鋼，先給機(jī)床設(shè)計(jì)一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的PLC程序，通過(guò)程序及人工控制，當(dāng)坯料放于料斗中，機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工凡爾座[4]。

1.2 機(jī)床加工工作循環(huán)

凡爾座圈專(zhuān)用機(jī)床主要?jiǎng)幼鞑考譃槲布?、卡盤(pán)、前刀架、后刀架、推料缸五大塊。各部件快進(jìn)、快退、工進(jìn)等動(dòng)作都根據(jù)工件的加工的要求通過(guò)輸出端的電磁閥的通斷電來(lái)控制各部件的動(dòng)作。加工一個(gè)零件的全部工步繪在工作循環(huán)總圖1中，其由14個(gè)工步組成。如圖1所示工作循環(huán)總圖中應(yīng)該注意兩點(diǎn):

（1）前刀架未設(shè)原位行程開(kāi)關(guān)。這個(gè)開(kāi)機(jī)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(shí)時(shí)間：在加工坯料前5段座圈時(shí)取延時(shí)2 s；在加工最后一段座圈時(shí)則要取延時(shí)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(shí)時(shí)間的不同也是本機(jī)床控制的特殊要求，由于本機(jī)床已經(jīng)配置了裝卸機(jī)構(gòu)，每次工作循環(huán)中經(jīng)第13程序后刀架工進(jìn)切割后，已加工完成的一個(gè)座圈便自動(dòng)落入料倉(cāng)，這是自動(dòng)卸料；而當(dāng)推料液壓缸退回原位時(shí)，送料機(jī)便自動(dòng)送入一段坯料至推料液壓缸讓出位置，這個(gè)送入坯料的工作是安排在第二道程序中進(jìn)行的，這是自動(dòng)裝料。由于每一段坯料可以加工6個(gè)座圈，因此每當(dāng)完成6個(gè)座圈加工后，在進(jìn)行第七個(gè)座圈機(jī)械加工前就得完成送坯料的過(guò)程。

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

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要求

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分[5]：

（1）分析控制要求，確定輸入輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選擇PLC機(jī)型，做出I/O分配表。將控制過(guò)程分為若干個(gè)工作步，明確每個(gè)工作部件的功能，明確再步的轉(zhuǎn)換是單向進(jìn)行還是多向進(jìn)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(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸出作為轉(zhuǎn)換條件，則先確定各定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的編號(hào)和設(shè)定值。

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

2.2 控制系統(tǒng)的I/O分配

機(jī)床加工流程是順序執(zhí)行，由于工藝流程每步執(zhí)行動(dòng)作都是由機(jī)床的一個(gè)部件完成，動(dòng)作一經(jīng)完成，就會(huì)有狀態(tài)輸入變化，在本設(shè)計(jì)中，主要是由各部件的限位開(kāi)關(guān)輸入量的變化來(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行，根據(jù)圖1可以確定輸入點(diǎn)數(shù)是11個(gè)。而輸出量主要是電磁閥，電磁閥主要是用作機(jī)床加工的驅(qū)動(dòng)，以保證工進(jìn)、快進(jìn)、快退各動(dòng)作的順利完成，還有時(shí)間繼電器可以由PLC內(nèi)部提供，所以主要有9個(gè)輸出電磁閥，即9個(gè)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(zhuān)用機(jī)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(dòng)的循環(huán)運(yùn)行一個(gè)過(guò)程，也能進(jìn)行手動(dòng)的操作運(yùn)行一個(gè)工作步。根據(jù)凡爾座圈專(zhuān)用機(jī)床的控制的兩個(gè)特殊要求，延時(shí)時(shí)間的不同選擇主要是靠選擇結(jié)構(gòu)的分支語(yǔ)句完成。從不同部件的分工及循環(huán)動(dòng)作我們將整個(gè)工件的加工過(guò)程分別劃分為尾架、卡盤(pán)、前刀架、后刀架、推料缸五部分的運(yùn)動(dòng)。

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

圖2 各部件工作循環(huán)

圖3 尾架快進(jìn)梯形圖

圖4 尾架工進(jìn)梯形圖

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

4 結(jié)束語(yǔ)

PLC控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用機(jī)床自動(dòng)工藝流程，并能方便地改變工藝流程。將PLC控制系統(tǒng)運(yùn)用于專(zhuān)用機(jī)床控制意義在于，不會(huì)造成機(jī)床的長(zhǎng)期停機(jī)，特別是在產(chǎn)品更新?lián)Q代，生產(chǎn)工藝改造時(shí)，不需要改動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制。

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

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

[3]展海瑜.PLC控制在軋輥車(chē)床進(jìn)給傳動(dòng)中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011（8）:89-91.

[4]《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè):第三冊(cè)[M].北京:機(jī)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(yùn)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.