【文章內容簡介】 以采用繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 1. 繼電器 接觸器控制系統(tǒng) 繼電器 接觸器控制系統(tǒng)自上世紀二十年代問世以來，一直是機電控制的主流。由于它的結構簡單、使用方便、價格低廉，所以使用廣泛。 繼電接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸電串聯(lián)、并聯(lián)、串 并聯(lián)，利用時間繼電器的延時動作等組合或控制邏輯。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的控制邏輯是依靠觸電的動作來實現(xiàn)的，觸點的開閉動作一般是幾十毫秒數(shù)量級。其定時控制利用時間繼電器的延時動作來進行 [6]。 在上世紀的 20 年代到 30 年代，借助繼電器、接觸器、按鈕和行程開關等組成繼電器 接觸器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對機床的啟動、停車、有級調速等控制。繼電器 接觸器控制的優(yōu)點是：結構簡單、價格低廉、維護方便、抗干擾性能力強。因此廣泛應用于各類機床和機械設備 [7]。目前，在我國繼電器接觸器控制仍然是機床和其它機械設備最基本的電氣控制形式之 一。 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 4 2. 單片機控制系統(tǒng) 隨著材料科學、工藝技術、計算機技術的發(fā)展與進步，電路系統(tǒng)向著集成度極高的方向發(fā)展。 CPU 的生產制造技術，也朝著綜合性、技術性、實用性發(fā)展。單片機控制系統(tǒng)是以單片機 （ CPU） 為核心部件，擴展一些外部接口和設備，組成單片機工業(yè)控制機， 單片機具有結構簡單，使用方便，價格比較便宜等優(yōu)點，因此在數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。 3. PLC 控制系統(tǒng) 在 70 年代出現(xiàn)了用軟件手段來實現(xiàn)各種控制功能，以微處理器為核心的新興工業(yè)控制器 —— 可編程程序控制器（ PLC）。這種器件 完全能夠適應惡劣的工業(yè)環(huán)境，由于它兼?zhèn)淞擞嬎銠C控制和繼電器 接觸器控制兩方面的優(yōu)點，故目前世界各國將其作為一種標準化通用設備普遍應用于工業(yè)控制 [8]。 PLC 采用存儲邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場連線以外，而控制邏輯是以程序的方式存儲在 PLC 的內存當中。若控制邏輯復雜時，則程序會長一些，輸入輸出 的連線并不多。若需要對控制邏輯進行修改時，只要修改程序便可，而輸入輸出的連接線改動不多，并且也容易改動 [9]。 PLC 是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度很快。通常，一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級。 PLC 采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，可靠性高。PLC 還配備了自檢和監(jiān)控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調試和維護了方便。 組合機床控制系統(tǒng)的選擇 在實際工程中往往選擇一種經濟、有效、性能優(yōu)越的控制方案，考慮到上述幾點，采用 PLC 控制系統(tǒng) 較適合組合機床的電氣控制。 PLC 控制系統(tǒng) 與單片機 控制系統(tǒng) 、繼電器 接觸器控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點 [10]： 1. PLC 控制系統(tǒng)與繼電器 接觸器控制系統(tǒng)相比較 (1) 控制邏輯 繼電接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸點串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)，利用時間繼電器的延時動作等組合或控制邏輯，連線復雜、體積大、功耗也大。PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 5 當一個電氣控制系統(tǒng)研制完后，要想再做修改都要隨著現(xiàn)場接線的改動而改動。特別是想要能夠增加一些邏輯時就更加困難了，這都是硬接線的緣故。所以， 繼電器 接觸器控制系統(tǒng) 的靈活性和擴展性較差。 可編程控制器采用存儲邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場連線以外，而控制邏輯是以程序的方式存儲在 PLC 的內存當中。若控制邏輯復雜時，則程序會長一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對控制邏輯 進行修改時，只要修改程序就行了，而輸入輸出的連接線改動不多，并且也容易改動，因此， PLC 的靈活性和擴展性強。而且PLC 是由中大規(guī)模集成電路組裝成的，因此，功耗小，體積小。 (2) 控制速度 繼電器 接觸器控制系統(tǒng) 的控制邏輯是依靠觸點的動作來實現(xiàn)的，工作頻率低。觸點的開閉動作一般是幾十毫秒數(shù)量級。而且使用的繼電器越多，反映的速度越慢，還是容易出現(xiàn)觸點抖動和觸點拉弧問題。 而可編程控制器是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制的，速度相當快。通常，一條用戶指令的執(zhí)行時間在微秒數(shù)量級。由于 PLC 內部有嚴格的同步，不會出現(xiàn)抖動問題，更不會出現(xiàn)觸點拉弧問題。 (3) 定時控制和計數(shù)控制： 繼電器 接觸器控制系統(tǒng) 利用時間繼電器的延時動作來進行定時控制。用時間繼電器實現(xiàn)定時控制會出現(xiàn)定時的精度不高，定時時間易受環(huán)境的濕度和溫度變化而影響。有些特殊的時間繼電器結構復雜，維護不方便。而可編程程序控制器使用半導體集成電路作為定時器，時基脈沖由晶體震蕩器產生，精度相當高并且定時時間長，定時范圍廣。 (4) 可靠性和維護性。 繼電器 接觸器控制系統(tǒng) 使用了大量的機械觸點，連線也多。觸點在開閉時會受到電弧的損壞，壽命短 。因而可靠性和維護性差。 PLC 采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，可靠性高。PLC 還配備了自檢和監(jiān)控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時顯示給操作人員，還能動態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調試和維護提供了方便 [11]。 總之， PLC 在性能上均優(yōu)越于 繼電器 接觸器控制系統(tǒng) ，特別是控制速度快，可靠性高，設計施工周期短，調試方便，控制邏輯修改方便，而且體積小，功耗低。 2． PLC 控制系統(tǒng)與單片機控制系統(tǒng)比較 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 6 單片機具有結構簡單，使用方便，價格比較便宜等優(yōu)點，一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制。但是 ，單片機不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制而設計的，所以它與 PLC比較起來有以下缺點： (1) 單片機不如 PLC 容易掌握 使用單片機來實現(xiàn)自動控制，一般要使用微處理器的匯編語言編程。這就要求設計人員要有一定的計算機硬件和軟件知識。對于那些只熟悉機電控制的技術人員來說，需要進行相當長一段時間系統(tǒng)地學習單片機的知識才能掌握。 而 PLC 采用了面向操作者的語言編程，如梯形圖、狀態(tài)轉移圖等，對于使用者來 說，無需了解復雜的計算機知識，而只要用較短時間去熟悉 PLC 的簡單指令系統(tǒng)及操作方法，就可以使用和編程。 (2) 單片機 不如 PLC 使用簡單 使用單片機來實現(xiàn)自動控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作。例如，要考慮工程現(xiàn)場與單片機的連接，輸出帶負載能力、接口的擴展，接口的工作方式等。除了要進行控制程序的設計，還要在單片機的外圍進行很多硬件和軟件工作，才能與控制現(xiàn)場連接起來，調試也較繁瑣。 而 PLC 的輸入 /輸出接口已經做好，輸入接口可以與無外接電源的開關直接連接，非常方便。輸出接口具有一定的驅動負載能力，能適應一般的控制要求。而且，在輸入接口、輸出接口，由光電耦合器件，使現(xiàn)場的干擾信號不容易進入 PLC[12]。 (3) 單片機不如 PLC 可靠 使用單片機進行工業(yè)控制，突出的問題就是抗干擾性能較差。而 PLC 是專門用于 工程現(xiàn)場環(huán)境中的自動控制，在設計和制造過程中采取了抗干擾性措施，穩(wěn)定性和可靠性較高。 通過上面的比較，針對組合機床的電氣控制系統(tǒng)，雖然 PLC 的價格高一些，但良好的穩(wěn)定性和高度的可靠性可確保機床在加工零件時的精度，所以決定采用 PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 7 3 組合機床 PLC 控制系統(tǒng)的硬件設計 兩工位鉆孔、攻螺紋組合機床，能自動完成工件的鉆孔和攻螺紋加工，自動化程度高，生產效率高。兩工位鉆孔、攻螺紋組合機床如圖 31 所示。 鉆 孔 工 位 放 松 Y V 4 放 松 限 位 S Q 8 攻 螺 紋 工 位左 移 Y V 3 Y V 2 右 移夾 具 夾 具工 作 臺工件鉆 孔動 力頭M 3攻 螺紋 動力 頭M 3夾 緊 Y V 1 加 緊 限 位 S Q 4鉆 孔 滑 臺 攻 螺 紋 滑 臺S Q 6S Q 1SQ3SQ2鉆 孔 原 位 攻 螺 紋 原 位 圖 31 兩工位鉆孔、攻螺紋組合機床示意圖 機床主要有床身、移動工作臺、夾具、鉆孔滑臺、鉆孔動力頭、攻螺紋滑臺、攻螺紋動力頭、滑臺移動控制凸輪和液壓系統(tǒng)等組成。 移動工作臺和夾具用以完成工件的移動和夾緊，實現(xiàn)自動加工。鉆孔滑臺和鉆孔動力頭，用以實現(xiàn)鉆孔加工量的調整和鉆孔加工。攻螺紋滑臺和攻螺紋動力頭，用以實現(xiàn)攻螺紋加工量的調整和攻螺紋加工。工作臺的移動（左移、右移），夾具的夾緊、放松，鉆孔滑臺和攻螺紋滑臺的移動（前移、后移），均有液壓控制系統(tǒng)控制。其中兩個滑臺移動的液壓系統(tǒng)由滑臺移動控制凸輪來控制，工作臺的移動和夾具的夾緊與放松由電磁閥控制。 根據(jù)設計要求，工作臺的移動和滑臺的移動應嚴格按照規(guī)定的時序同步進行，兩種運動密切配合，以提高生產效率。 組合機床控制系統(tǒng)工 作過 程 系統(tǒng)通電之后，自動起動液壓泵電動機 M1。 若機床各部分在原位（工作臺在鉆孔 工位 SQ1 動作，鉆孔滑臺在原位 SQ2 動作，攻螺紋滑臺在 SQ3 動作），并且液壓PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 8 系統(tǒng)壓力正常，壓力繼電器 PV 動作，原位指示燈 HL1 亮。 將工件放在工作臺上，按下啟動按鈕 SB，夾緊電磁閥 YV1 得電，液壓系統(tǒng)控制夾具將工件夾緊，與此同時控制凸輪電動機 M2 得電運轉。當夾緊限位 SQ4 動作后，表明工件已被夾緊。 起動鉆孔動力頭電動機 M3，且由于凸輪電動機 M2 運轉，控制凸輪控制相應的液壓閥使鉆孔滑臺前移，進行鉆孔加工。當鉆孔滑臺到達終點時，鉆孔 滑臺自動后退，到原位時停， M3 同時停止。 等到鉆孔滑臺回到原位后，工作臺右移電磁閥 YV2 得電，液壓系統(tǒng)使工作臺右移，當工作臺移到攻螺紋工位時，限位開關 SQ6 動作，工作臺停止。起動攻螺紋動力頭電動機 M4 正轉，攻螺紋滑臺開始前移，進行攻螺紋加工，當攻螺紋滑臺到達終點時（終點限位 SQ7 動作），制動電磁鐵 DL 得電，攻螺紋動力頭制動， 秒后攻螺紋動力頭電機 M4 反轉，同時攻螺紋滑臺由控制凸輪控制使其自動后退。 當攻螺紋滑臺后退到原位時，攻螺紋動力頭電機 M4 停，凸輪正好運轉一個周期，凸輪電機 M2 停，延時 3 秒后，左移電 磁閥 YV3 得電，工作臺左移，到鉆孔工位時停。放松電磁閥 YV4 得電，放松工件，放松限位 SQ8 動作后，停止放松。原位指示燈亮，取下工件，加工過曾完成。 兩個滑臺的移動，是通過控制凸輪來控制滑臺移動液壓系統(tǒng)的液壓閥實現(xiàn)的，電氣系統(tǒng)不參與，只需起動控制凸輪電機 M2 即可。 加工過程中，應起動冷卻泵電機 M5，供給冷卻液。 PLC 的 硬件選型 合理選擇 PLC 的型號，對于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術經濟指標起著重要作用。選擇機型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護使用方便以及最佳功能價格比。 （ 1） 結構選擇 PLC 主要有整體式和模塊式。 整體式 PLC：整體式 PLC 的每一個點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對小，一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的小型控制系統(tǒng)中。 模塊式 PLC：模塊式 PLC 功能擴展靈活方便。在點數(shù)上，輸入點數(shù)，輸出點數(shù)的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復雜的控制系統(tǒng)。 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 9 對于組合機床，選用整體式 PLC 較好。 （ 2） I/O 點選取原則 PLC 平均的 I/O 點價格比較高，因此應該合理選用 PLC 的 I/O 點數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的 I/O 點最 少，但必須留有一定余量。通常 I/O 點數(shù)是根據(jù)被控制對象的輸入輸出信號的實際需要，再加上 10%20%的余量來確定 [13]。 （ 3） 確定 PLC 機型及擴展模塊。 根據(jù)（ 1）（ 2）及實際 PLC 機型點數(shù)， 本系統(tǒng) 采用西門子公司的 S7— 200 系列的主控模塊 CPU226 和數(shù)字量輸入擴展模塊 EM221， 8 點 DC 輸入 ( 8 24 V/DC) 。CPU226 集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數(shù)字量 I/O 點。可連接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 個數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點 [14]。 26K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間。用于較高要求的控制 系統(tǒng)，具有更強的模塊擴展能力，更快的運行速度和功能更強的內部集成 特殊功能 。 可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng) 。 不但滿足本設計中的輸入輸出點數(shù)的基本要求，而且為日后本機床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴展空間。 I/O 端子的地址分配 該組合機床 控制系統(tǒng)共用 了 10 個輸入量， 15 個輸出量。其 I/O 具體分配如表 31所列。 表 31 輸入 /輸出地址分配表 輸入點 輸出點 端子編號 作 用 端子編號 作 用 壓力檢測 PV 原點指示 HL1 鉆孔工位限位 SQ1 液壓泵電機 M1（ KM1） 鉆孔滑臺原位 SQ2 凸輪電機 M2（ KM2） 攻螺紋滑臺原位 SQ3 鉆孔動力頭電機 M3（ KM3） 夾緊限位 SQ4 冷卻泵電機 M5（ KM6） 攻螺紋工位 SQ6 攻螺紋動力頭電機 M4正轉（ KM4） 攻螺紋滑臺終點 SQ7 制動 DL 放松限位 夾緊電磁閥 YV1 啟動按鈕 SB 工作臺右移電磁閥 YV2 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 10 自動、手動選擇 SA 工作臺左移電磁閥 YV3 液壓泵手動 SB1 放松電磁閥 YV4 凸輪電機手動 SB2 原位指示燈 HL1 鉆孔手動 SB3 自動指示 HL2 手動攻鏍紋正轉 SB4 手動指示 HL3 手動攻鏍紋反轉 SB5 手動電源 冷卻泵手動 SB6 手動夾緊 SB7 手動右移 SB8 手動左移 SB9 手動放松 SB10 控制系統(tǒng) PLC 的 外圍電氣接線 由加工工藝要求可知，其為順序控制。所以可以運用狀態(tài)編程思想，采用步進順序控制指令對其進行控制。 雖然該控制為自動循環(huán)控制， 考慮到具體情況，在設置自動順序循環(huán)控制的同時，也設置了手動控制， 手動工作方式下啟動后，只需要操作面板上相應動作的按鈕即可實現(xiàn)所需的機械手的動作過程。 為減少輸入點，簡化程序，將按鈕或 轉換開關 接在驅動回路，從而實現(xiàn)上述各工步的手動操作。 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 11 圖 32 外部接線圖 PLC 在組合機床控制系統(tǒng)中的應用 12 4 組合機床 PLC 控