PLC在数控机床中的应用研究

PLC在数控机床中的应用研究
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摘要：针对PLC在机床中的广泛应用，本文在介绍了三菱立式加工中心的大体情况后，在总体结构和过程描述层面上对PLC的应用情况进行了研究，同时对换刀过程和外侧控制电路设计中的PLC梯形图设计进行了具体的分析。实践证明机床运行稳定，可靠性高，为用户所接受。
关键词：数控机床、PLC、换刀

 电子与信息技术的不断发展，给我国机床加工设备的现代化提供了强有力的技术支持。为了充分发挥设备效能，迅速提升加工技术与精度，在数控机床电气控制系统中可编程控制器（PLC）是应用最广泛的控制装置，它PLC置于NC系统和机床之间，用模块、变频驱动技术、操控监控设备等组成电气数字控制系统，以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式，扩大加工能力，减少故障，提高效率，已成为企业进行技术改造的有效途径。

1. 三菱立式加工中心
 VMC600型立式加工中心是采用三菱数控系统设计开发的一种中规格、高刚性三轴联动加工中心，配置三菱MELDAS64S数控系统，PLC编程指令丰富，功能强大，对用户开放性好等优点，运行速度快、控制可靠，且故障率低。
1.1总体设计
 VMC600型立式加工中心控制系统主要由控制单元、伺服机构、控制面板、机床外部信号、编码器、刀库、显示器、手脉组成，控制系统采用内置PLC，将PLC集成到控制单元内，内部控制信号在CNC与PLC间双向传递，伺服机构由CNC控制，编码器将位置信号反馈到伺服机构，PLC控制操作面板、刀库、机床外部信号。控制部分采用位置反馈的半闭环控制方式。如下图1所示：

图1：控制系统
 其中控制单元由CNC与内置PLC构成，是数控机床的核心部分，通过与伺服装置、操作面板、机床外部信号、刀库等的连接实现信号的传递，利用PLC的输入模块、各种限位开关、脉冲编码器等对加工过程及设备运行状态进行实时数据采集、整理，然后传送到控制单元进行数值运算，控制单元根据操作面板和显示器的操作指令和前面的计算结果来完成各种加工过程以及加工过程的数据处理和显示。PLC与CNC单元通过双向通讯实现对机床的现场监视、控制，实现控制单元内部信号的传递，完成加工过程中的信号处理和显示。控制系统框图2如下：

图2：控制系统框图
1.2系统过程描述
 本加工中心的梯形图设计主要分成三部分：操作面板上信号控制的梯形图设计；刀库换刀控制过程的梯形图设计；机床外侧信号及执行装置控制的梯形图设计。电气控制线路的设计与连接包括机床外侧输入与输出控制电路的设计和控制系统与伺服机构、控制面板、刀库间的连接。
 首先根据输入与输出信号的功能要求进行定义与地址分配，把输入和输出信号地址分配完毕后，就可根据机床的具体实际工作过程进行梯形图的设计。电气控制线路的设计与连接，包括机床外侧输入与输出控制电路的设计，以及控制系统与伺服机构之间的连接，控制系统与机床控制面板之间的连接，控制系统与刀库之间的连接。梯形图设计完成后，利用三菱PLC梯形图开发软件“GX Developer 7.0”的编辑，监视功能对PLC控制程序进行编辑、修改完善程序，利用手动功能对程序控制对象的各项功能进行调试，使控制对象的功能设置准确、有效，输入信号与输出信号间的逻辑关系正确、触发条件完善。确认各项控制功能设置准确无误后，对加工中心试运行，全面检查机床的功能及工作可靠性。
 
2. 换刀过程与外侧信号功能控制
    加工中心刀库换刀过程一般由PLC命令控制，利用PLC的基本命令和功能命令设计梯形图来控制刀库的换刀过程。机床外侧的输入信号则用于控制继电器或接触器线圈的通断，指示灯的明灭，液压阀电磁铁的吸合的信号，通过设计相应的外围电气控制线路实现对机床外侧执行机构的控制。
2.1换刀过程分析
 根据刀具与刀库的位置关系可将刀库分成两类：一类是刀具在刀库中的位置固定不变；另一类是刀具在刀库中的位置会发生改变，即当刀库旋转时，刀库号和刀具号之间的关系会发生改变。三菱系统PLC专用命令把握住换刀过程两个基本动作：刀库定位和旋转。①定位即确定刀库当前的位置；②旋转即确定从刀库当前刀位转到目标刀位的旋转方向和步数。
 对于第一类刀库通常采用固定指针系统，刀库旋转时刀套与刀具号之间的关系是固定的，通过环形计数器记录当前刀位的刀号来确定刀库的位置，再根据T命令来给出要求变换的刀具号作为刀具目标刀号，由旋转体转位命令（ROT K1）来确定刀库的旋转方向和步数。对于第二类刀库，刀具在刀库的位置不唯一确定，换刀过程与第一类刀库有所不同，首先由指针（记录当前刀位号）确定刀库位置，根据T命令给出的要求更换的刀号，由刀具搜索命令（ATC K1）找到所需要更换的刀号，利用该命令来确定刀库旋转的方向和步数，最后利用换刀命令（ATC K3、K4）将要求更换的刀具与被更换的刀具的数据进行互换。
2.2换刀应用
 VMC600型加工中心选用斗笠式刀库，刀库上可装16把刀具。在这种形式的刀库中，刀具在刀库中的位置唯一确定，因此属于第一类刀库。换刀过程采用固定指针系统，通过环形计数器命令（ROT K3）记录当前刀位的刀号来确定刀库位置。利用旋转体转位命令（ROT K1）来确定刀库旋转方向和步数。然后通过换刀宏程序完成换刀过程。
 在刀库旋转时，利用环形计数器命令（ROT K3）记录当前刀位的刀号来确定刀库位置，由T命令来确定所要更换的刀具号，作为目标刀位的刀号，旋转体转位命令（ROT K1）的功能是根据（ROT K3）记录当前刀位的刀号和命令来确定的目标刀位的刀号，确定并输出刀库旋转的步数和旋转方向（根据短路径原则）。
2.3外侧控制电路设计
 1）润滑泵启动（Y01）
 该信号用于控制润滑泵电机的启动与停止，控制电路工作过程输出信号Y01经过中间继电器KA1来控制润滑泵电机的启动与停止。当PLC产生润滑泵启动（Y01）输出信号时，首先中间继电器KA1的线圈通电，中间继电器KA1的常开触点闭合，使润滑泵电机的电源电路接通，电机启动当润滑泵启动（Y01）输出信号断开时，电机停止。
 2）刀库正反转（Y04、Y03）
 这两个输出信号控制刀库的旋转方向，控制电路工作过程输出信号经过中间继电器KA3、KA4来控制刀库正、反转。当PLC产生刀库正转（Y04）输出信号时，中间继电器KA4的线圈通电，中间继电器KA4的常开触点闭合，而中间继电器KA4的常开触点与交流接触器KM4的线圈串接，使得交流接触器KM4的线圈通电，从而使交流接触器KM4的常开触点闭合，于是刀库电机的供电线路接通，电机正向启动刀库正转（Y04）信号断开时，电机停止。当PLC产生刀库反转（Y03）输出信号时，经过类似的控制过程，交流接触器KM4的常开触点闭合，使刀库电机的供电线路换相接通，电机正向启动。
 3）伺服启动（Y0B）
 该信号用来控制主轴驱动器及X、Y、Z轴驱动器的启动，控制电路工作过程输出信号经过中间继电器KA1来控制，PLC产生伺服启动（Y0B）输出信号时，首先中间继电器KA11的线圈通电，中间继电器KA11的常开触点闭合，使交流接触器KM1、KM2开始工作，从而主轴驱动器及X、Y、Z轴驱动器的供电线路接通，给伺服系统上电。
2.4外侧输出信号传输方式
 机床外部输入信号经过转接板，使用电缆R301连接到基本I/O单元的CF31口，通过CF10，CF11口与CNC控制单元连接，将输入信号传递到控制单元，告知控制单元机床的工作状态输出信号通过，CF10，CF11口与基本I/O单元连接，再由基本I/O单元的CF33口经过转接板传递到机床外部，控制机床外部执行机构的动作。
 
3. 调试
 按照要求检查数控控制柜及现场接线，接下来就是实施成套设备联机调试，在通电的同时，为了安全应做好按压急停按钮的准备，随时切断电源。调试通常有下面几个步骤：1）通电试车。通电后首先观察有无报警，然后用手动方式陆续启动各部件，试试各导轨的运行是否正常，部件是否正常运转，各种安全装置是否起作用。2）程序调试。通过RS-232通讯接口将事先编制的梯形图送入控制系统，监视功能对梯形图程序进行调试。3）伺服系统的调试。为了使机床高效运行，还应进行系统参数优化等工作，需要对相应的坐标轴等参数优化调整，以使系统进人最佳工作状态。4）机械调试。目的是使机械系统达到最佳。
 
4. 总结
 通过整机在带一定负载的条件下，经过48小时的连续自动运行，如无故障出现，则表明机床的稳定性达到要求，经过对型立式加工中心的试运行，验证了机床的可靠性与稳定性。实践证明，采用三菱系统PLC通过所设计的WMC600型立式加工中心梯形图程序可以准确有效地完成对本加工中心的控制，具有通用灵活、功能完善稳定性好和操作简便等特点，易为广大机床用户所接受。

参考文献：
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