PLC 技術在銑床改造中的應用

陳 洋，趙新業

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

數控銑床一直是被作為機械加工的主力軍之一，在制造業中有著舉足輕重的地位，在企業生產機械中不可或缺的關鍵設備之一，普通機床（如立式銑床）承擔著圓弧、端面、凹槽銑削等工序的加工。所以，普通銑床在全國的保有量非常高，據國家統計局統計，目前全國數控機床達到20 萬臺，但普通機床超過了380 萬臺。由于普通銑床面臨著勞動強度大、生產效率低等問題，閑置的普通銑床較多，許多企業無法完成對數控銑床的一次性投資，這給企業的發展帶來了困難。對普通銑床經濟型數控化改造，提升設備的可靠性、降低經濟成本成為了制造類企業共同的心愿。據有關統計，2019 年日本、中國、德國數控機床產業規模占比分別為32.1%/31.5%/17.2%，我國已經成為全球第二大數控機床消費國。因此，普通銑床數控化改造在我國將是一種急需和可行的途徑[1]。

目前，對銑床改造的研究有來自廣州大學的徐靜亞，她就機床改造進行了一系列研究，但是僅僅對銑床進行CNC 系統改造，并未將成本降到最低，在考慮成本的情況下將PLC 技術應用于普通機床數控化改造，以實現最低成本、最完善的設備改造。

1 機床改造的思路與步驟

1.1 改造思路

隨著計算機技術與電子技術的快速發展，以PLC控制、變頻調速、觸摸屏人機對話、組態監控為主體得新型控制系統廣泛應用于各行各業[2]，這也間接性地推動了數控銑床的發展。社會中閑置的普通銑床不僅占用企業生產空間，還造成了資源浪費，不利于企業的發展。據不完全統計，我國普通銑床存在加工精度低、無法完成復雜加工，不適應當下機械加工需求等問題，許多企業在考慮收益的前提下，不得不將普通銑床滯留停工，有數據表明，我國的普通銑床停工率達80%，這造成了巨大的資源浪費。通過將現有銑床X、Y、Z三個方向工作臺在結構上進行改造，設計與之相符的機械傳動系統和控制系統，利用PLC 程序運算并分配信號控制步進電機實現三軸聯動的數控加工。通過改造的銑床提高了生產效率，盤活了閑置資源，解決了加工精度低、無法加工復雜工件的難題，達到了閑置資源再利用的目的，使普通銑床成為一種柔性的、高效能的自動化加工設備，代表了現代機床控制技術的發展方向[2]從目前我國銑床發展來看，我國正向機械加工自動化方向發展，加之我國普通銑床存量大，普通銑床數控化改造將成為一種長期使用的手段。

1.2 改造的步驟

首先確定銑床各個改造部分的參數，如銑床運動的距離來選擇絲桿的長度等，對其進行結構設計計算，由原銑床電機功率和銑削力估算電機的型號，再由確定的電機進行減速機構的設計、制造和安裝，最后根據改造好的銑床機械部分進行PLC 控制系統的設計與接線。

2 機械部分的改造

2.1 原銑床特點

X60W 臥式升降臺普通銑床誕生時間早且用途廣泛，該銑床由床身、工作臺、主軸電機、普通絲桿等零件組成。銑床具備了足夠的功率和剛性以及有較大的調速范圍（主軸轉速和進給量），能夠實現平面、輪廓、鍵槽等的銑削，如果使用適當的銑床附件，可加工齒輪、凸輪、弧形槽及螺旋面等特殊形狀的零件，配置萬能銑頭、圓工作臺、分度頭等銑床附件，可進一步擴大銑床使用范圍，適用于各種機械加工。

2.2 不足之處

首先，X60W 銑床的工作精度低，主要原因是銑床傳動絲桿傳動效率低下而且產生傳動誤差[3]；銑床在銑床加工中，人為的運動銑床工作臺可能產生銑削不足，定位不精甚至是過切等問題。其次，銑床原有系統均為直通式的齒輪傳動，利用齒輪將三相異步電動機的旋轉力傳動到螺紋桿中，沒有編程與算法的柔性，無法完成稍復雜化的零件加工。

2.3 改造方案

機械部分的改造是對機械傳到系統進行分析、改造的過程，分析待改造部分的作用、工作方式與特性等，對其進行拆除與改造，使其達到數字控制的要求。

改造方案1：為了確保生產效率和傳動的平穩性，實現高精準定位，選用伺服電機，將X、Y、Z軸普通絲桿更換成新滾珠絲桿，電動機與絲桿之間的機械能傳動方式采用齒輪傳動，利用PLC 控制同時采用閉環控制系統使得改造后的銑床精度更高。

改造方案2：為了節約成本，同時兼顧一定的精度，選用帶剎車的步進電機，并將X、Y、Z軸普通絲桿改為滾珠絲桿，電動機與絲桿之間的機械能傳動方式采用齒輪傳動，利用PLC 控制。

造方案3：為了成本的最低化，三軸傳動絲桿不變，選用步進電機傳動對絲桿進行直接傳動，電動機與絲桿之間的機械能傳動方式采用同步帶傳動，利用PLC 控制。

考慮到銑床改造主要是為了降低成本、滿足生產需求與精度需求，用于大批量零件的加工，本次改造將采用方案2。

3 控制部分的改造

3.1 改造要求

任何一種機械電器控制系統都是為了達到被控制對象的工藝控制要求，以提高產品質量和生產效率。所以設計PLC 控制系統，應達到以下基本原則。

（1）運行效率高。PLC 系統工作運算速度快，以實現對大量數據的分析、處理及運算，滿足數控加工過程所必需的高效性[4]。

（2）柔性加工。PLC 控制工作臺沿X、Y、Z三個坐標方向的移動及移動速度，有快速移動功能，并具有剎車抱閘裝置。能完成需要加工的要求，適用于加工中小型零件的平面、成形表面（如任意圓弧、凸輪的曲面等）及45°內任意的平面。

（3）其他。要求PLC 控制系統安全、穩定，在滿足控制要求的基礎上，保證控制系統經濟實用、工作可靠、維修方便。

3.2 改造方案

考慮到機械產品的變化和生產工藝的發展走向，實現控制機械加工過程的產品質量以及讓人能夠容易直觀的學習上手編寫程序，選用西門子S7-200smart 系列PLC，西門子S7-200smart 系列PLC 具有高速度、高性能的特點，其指令豐富，有專門的定位指令，控制步進電機和伺服電機簡單，控制精度高，同時還可以實現某些難度的動作。

3.3 確定電氣設備

可編程邏輯控制器是專門為工業環境的應用而設計的數字運算操作電子系統。PLC 采用可編程存儲器，內部存儲執行邏輯運算、順序控制、時序、計數、算術運算等操作的指令，通過數字式或模擬式的輸入輸出控制各種機械設備和生產工序看。PLC 的規格分為大型、中小型，輸出方式分為繼電器輸出、晶體管輸出。

3.3.1 PLC 選型的基本原則與要求

（1）基本原則。最大限度地滿足被控對象得控制要求，設計前應深入現場進行調查研究，搜集資料，并擬定電氣控制方案；在滿足控制要求得前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用及維護方便，保證控制系統安全可靠。

（2）選型要求。支持高速脈沖輸出并至少攜帶三個以上脈沖口，具有多個輸入輸出接口，并支持拓展，價格適中，功能齊全。

3.3.2 PLC 型號的確定

根據銑床運動控制的需求，選擇的PLC 型號：西門子s7-200smart ST30 24V/DC/DC/DC/晶體管輸出。選型及具體參數見表1。

表1 PLC 參數

西門子ST30CPU 模塊本體集成3 路高速脈沖輸出，頻率高達100 KHz，并能夠安裝多個拓展模塊，支持PWM/PTO 輸出方式以及多種運動模式，輕松驅動各類脈沖驅動器。CPU 集成的PROFINET 接口，可以連接多脈沖驅動器，配以方便易用的SINAMICS 運動庫指令，快速實現設備調速、定位等運控功能。

3.3.3 控制開關電源選型

根據步進電機選型來確定控制開關電源的規格與型號。三軸步進電機支持50-80VDC，5 A 輸入電，結合需要選擇：HJS-480 直流開關電源，輸出電壓范圍：0 ～80 V 連續可調（可調至81 V），輸出電流：6 A；根據PLC 型號S7-200smart，其支持0-20VDC，2 A輸入電，結合需要選擇：德力西CDKU-50-24 直流開關電源，輸出電壓范圍0 ～24 V，輸出電流：2.1 A。

4 PLC 控制系統工作原理

可編程控制器的結構類型眾多，其組成原理一般大致基本相同，都是以微處理器為核心的結構。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源等幾個部分組成。

4.1 系統組成

（1）中央處理單元（CPU）。CPU 作為整個PLC 的核心大腦，起著總指揮的作用。CPU 一般由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路裝在一個芯片上。其主要功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執行指令，取下一條指令，處理中斷。

（2）存儲器（RAM、ROM）。存儲器主要用于存儲編寫的系統程序、自身程序和相關工作數據。常使用的存儲器有RAM、EPROM 和EEPROM。RAM 是一種可進行讀寫的隨機存儲器存放用戶程序。生成用戶數據區，存放在RAM 中的用戶程序可方便地修改。RAM 存儲器是一種高精密、消耗功率較低、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池做備用電源。掉電時可自動保持存儲的信息。EPROM、EEPROM 都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統管理程序和應用程序。

（3）輸入輸出單元（I/O 單元）。PLC 上的輸入輸出信號接口，根據不同類型的PLC 其接口有多有少，其輸出控制器一般是交流接觸器。

（4）電源。PLC 電源有一個外接電源，其主要把外部的單元供電轉化為內部的工作電壓，同時內部自身還有有DC24V 直流電主要用于對CPU 和I/O單元供電。

（5）編碼器。在計算機中利用編碼器，把用戶編寫的程序信號存儲在存儲器中，可以有效進行程序的監控、檢查、修改、調試等。

4.2 工作原理

一般普通銑床的電氣控制器，都使用的是順序控制模式。而采用PLC 最大的好處，就是可以很方便完成所有程序的模式。而通過PLC 控制器，因為PLC 中“軟元件繼電器”的觸點是能夠無限多次通過的，所以在程序設計中，就不用考慮觸點多少的問題了，而PLC 的所有輔助電源、定時器、計數器等控制模塊，也都是由PLC 內置的寄存器完成的，從而節約了許多外部的電源。PLC 程序控制時，由內部CPU 進行各部件上的邏輯相關性操作，而PLC 外部只需負責輸入端部開關，按鍵的指示信息，并輸出端部接觸器、指示燈以及負載，然后再由接觸器監控電動機的工作，而無須考慮接觸器內部的邏輯關系。所以，也可將其上述普通銑削機床的控制系統全部換成了PLC 控制器，整個操作過程不變。

4.3 I/O 口的分配

針對不同類型銑床的電氣控制特點，其要求輸入/輸出都有開關量。機床的各種操作與輔助性能圖1所示。

通過I 口對PLC 程序進行啟動和停止，通過O口輸出脈沖與通斷信號。共需5 個輸入點，10 個輸出點，為此，可以選用西門子s7-200smart ST30，輸入點數12、輸出總點數18 點，可以使機床完成所有主要操作的基本要求。主要的I/O 分配見表2 所示。

表2 PLC I/O 分配

經改造后的銑床具有柔性加工的特點，具有市場上主流數控銑床的主要優點（柔性數控化加工），適應性較強、加工精度較高、生產效率較高和加工質量相對穩定等。它綜合地應用了計算機應用、自動控制、伺服驅動、高精度測量和創新的機械結構等多方面的前沿技術，符合今后機床控制發展方向。

5 結語

通過對三軸的改造與加裝，利用PLC 控制銑床的運動，達到了銑床數控化改造的目的，既能將老舊資產盤活，又讓其發揮了生產的功效。老舊銑床改造不僅滿足了當下企業對加快生產力的需求，同時還解決了社會對老舊銑床最終歸何去何從的問題。