劉寰

榆林學(xué)院，陜西，榆林，719000

0 引言

PLC作為一種可編程控制裝置，是設(shè)備實現(xiàn)自動化必備的核心器件之一，將PLC使用到數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)當(dāng)中，可以實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動化控制，相比傳統(tǒng)的人工操作方式，PLC數(shù)控機(jī)床自動控制系統(tǒng)可以更加精準(zhǔn)、快速地完成生產(chǎn)任務(wù)，對于提升生產(chǎn)效率具有積極意義。

本研究在PLC的基礎(chǔ)上對數(shù)控機(jī)床自主控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，首先對機(jī)床控制系統(tǒng)的硬件電路、配置進(jìn)行分析，使用PLC對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，具有高可靠性、功能多樣性等優(yōu)勢，且CPU、位置控制單元為控制系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)造環(huán)境，最終設(shè)計完成的控制系統(tǒng)符合數(shù)控機(jī)床的需求。

1 機(jī)床控制系統(tǒng)硬件電路與配置

1.1 PLC數(shù)控機(jī)床自動控制系統(tǒng)優(yōu)勢

對于數(shù)字化自動控制而言，使用PLC作為主控制器的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）高可靠性：高可靠性對于數(shù)字化控制設(shè)備至關(guān)重要，PLC使用了大量的集成電路，并且在PLC的內(nèi)部還融合了多種抗干擾技術(shù)，在與同等規(guī)模繼電接觸器系統(tǒng)的對比下，PLC在實際運作過程中展現(xiàn)出的故障率顯著下降。PLC擁有故障報警功能，在硬件出現(xiàn)故障的情況下可以第一時間進(jìn)行自我檢測。

（2）功能多樣的I/O模塊：結(jié)合不同的生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場，PLC可以配備相應(yīng)的I/O模塊，對于數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)而言，其主要控制的是繼電器、接觸器、限位開關(guān)、傳感器等開關(guān)量信號以及加工電流、加工電壓、電解液溫度等模擬量信號，從而在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)PLC與輸出模塊的有效對應(yīng)。

（3）模塊化結(jié)構(gòu)：PLC模塊化結(jié)構(gòu)可以更加理想地適應(yīng)工業(yè)控制的柔性需要。PLC的許多部件都使用了模塊化設(shè)計，借助機(jī)架實現(xiàn)多模塊連接，在擴(kuò)展系統(tǒng)功能時通過添加相應(yīng)的擴(kuò)展模塊，即可實現(xiàn)相應(yīng)的功能需求。

1.2 PLC選型

明確輸入、輸出信號數(shù)量、類型：PLC內(nèi)置輸入點無法滿足數(shù)控機(jī)床運作要求時，此時需要加裝輸入輸出模塊；存在模擬量輸入的情況下需要配置相應(yīng)的模擬量輸入模塊。PLC電源單元可以實現(xiàn)對交流電源的整流、濾波、穩(wěn)壓，通過這種方式為PLC其他單元供應(yīng)電能。

本次研究中選擇的電源單元型號為CJ1WPA205R。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)這種電源單元工作性能穩(wěn)定，輸入電壓AC200～240V。電源模塊擁有LG接地端子，擁有抗強(qiáng)噪聲干擾、防止電氣沖擊功能；接地端GR，具備防感應(yīng)電干擾功能；運行輸出端使用CPU、DC24V輸出電源的配合，這種結(jié)構(gòu)需要建立在各單元與CPU機(jī)架相連的基礎(chǔ)上，并且最大限度地確保各單元具有良好的連接性能[1]。

2 核心處理器件設(shè)計

2.1 CPU

CPU即中央處理器，是數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的核心部位，CPU在通常情況下結(jié)合系統(tǒng)程序的特定功能安排PLC的工作，而CPU的主要任務(wù)就是對外界輸入的用戶程序、數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲，同時將程序內(nèi)容在屏幕上顯示出來。

在輸入用戶程序時，CPU有必要對用戶程序進(jìn)行全面檢查，如果在檢查過程中發(fā)現(xiàn)存在語法、邏輯錯誤就會發(fā)出報警，報警發(fā)出的同時可以在屏幕上看到錯誤原因。CPU會將接收到的現(xiàn)場輸入數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)需要使用時再調(diào)出。CPU的核心功能就是執(zhí)行用戶程序、處理數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)，CPU會對用戶程序存儲器中的指令進(jìn)行逐條讀取，讀取過程中使用循環(huán)掃描，按照規(guī)定的任務(wù)，指令會發(fā)出相應(yīng)的控制信號，對指定電路進(jìn)行控制。

信號輸出輸出結(jié)束后，CPU會對相關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)、輸出影響寄存器當(dāng)中的內(nèi)容進(jìn)行更新，這樣做有助于下一次執(zhí)行用戶程序。PLC在工業(yè)控制當(dāng)中應(yīng)用的主要功能就是故障診斷，CPU實現(xiàn)對可編程控制器內(nèi)部的電路故障診斷。結(jié)合電路錯誤類型，錯誤信息會在屏幕上顯示出來，用戶可以按照信息提示排除故障、糾正錯誤[2]。

本研究中使用的控制器CPU單元型號為CJ1M-CPU22，其具有以下優(yōu)點。

（1）內(nèi)置雙軸脈沖輸入輸出：該CPU擁有單相雙軸高速計數(shù)器，同時在內(nèi)部配備了四點中斷輸入，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)高速響應(yīng)控制。

（2）梯形圖加減速定位：多種定位在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)專用指令。

（3）專用指令組合：組合指令可以實現(xiàn)生產(chǎn)自動智能化。

（4）處理速度快：該CPU可達(dá)到的脈沖啟動最短時間為46μs，其擁有的直流輸入單元可以將現(xiàn)場數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為可編程控制器內(nèi)部處理專用的標(biāo)準(zhǔn)信號。直流輸入單元型號對應(yīng)CJ1WID231，CPU內(nèi)置輸入點尚且不能滿足系統(tǒng)控制需求，因此需要擴(kuò)展模塊的介入。擴(kuò)展后的輸入單元擁有32點輸入，規(guī)格“DC24V，6mh”，可以在最大限度上滿足自動機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計需要，并且預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔俊?/p>

直流輸入單元的外部輸入電路擁有濾波電路、光電耦合電路，濾波電路的主要用途是抗干擾，耦合電路同時具備抗干擾、產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的功能。該CPU在實際使用過程中需外接直流電源，接線時需要確保外部輸入信號的一端與接線端子相連，另一端和電源正極或負(fù)極連接，電源的另一極與輸入單元公共端子連接。繼電器輸出單元是內(nèi)置基本輸出單元的擴(kuò)展，其對應(yīng)型號為CJ1W-0C211，規(guī)格“DC24V，2A”[3]。其可以實現(xiàn)將可編程控制器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行所需的開關(guān)量信號，接通、斷開的頻率更低，響應(yīng)速度更慢，展現(xiàn)出可靠的工作性能。輸出繼電器觸點閉合以后，可以為接通負(fù)載創(chuàng)造條件，不過并不能實現(xiàn)給負(fù)載供電，由此說明兩端都需要配備適用的工作電源。

2.2 位置控制單元

CJ1W-CPU22僅擁有兩路脈沖輸入輸出，因此實際的控制對象也只有兩根軸。

而本次研究中使用PLC自動化控制的數(shù)控機(jī)床由三根軸控制，因此結(jié)合實際情況需要增加一個位置控制單元，該控制單元型號為CJ1WNC113。該控制單元所具有的優(yōu)點如下。

（1）高速啟動：CPU發(fā)出的指令，該模塊的啟動時間僅為2ms；（2）高速傳輸數(shù)據(jù)：傳輸數(shù)據(jù)借助智能I/O寫入、讀取指令，并在基礎(chǔ)上展開高速數(shù)據(jù)傳送；（3）中斷進(jìn)給：有中斷輸入時，要求按照指定移動量，在發(fā)生移動后立即停止。

3 PLC數(shù)控機(jī)床自動控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 伺服驅(qū)動電路設(shè)計

本次研究中所涉及的對象為需要對三根軸進(jìn)行控制的數(shù)控機(jī)床，因此對于不同的軸，伺服驅(qū)動電路對應(yīng)的設(shè)計存在一定的差異。通常情況下伺服驅(qū)動器可以使用位置、速度、力矩三種控制方式，而本次研究中設(shè)計的控制系統(tǒng)使用高精度位置控制模式[4]。對應(yīng)設(shè)計的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動工作裝置包括了橫移工作臺（X軸）、縱移工作臺（Y軸）、主軸（Z軸）。不同的軸對應(yīng)的驅(qū)動負(fù)載不同，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量也不相同。鑒于此，在電機(jī)、驅(qū)動器選擇上難免存在一定的差異。

Z軸電機(jī)輸入電壓恒為三相20V，驅(qū)動器電源接線端子（X1）（L1、L2、L3）與三相200V交流電相接，此外控制電源對應(yīng)的接線端子（LlC、L2C）需要嚴(yán)格按照規(guī)定要求與200V交流電相接。Z軸的絲杠位于主軸伺服電機(jī)驅(qū)動下方，絲杠帶動滑枕移動，陰極板位于滑枕的一端，其作用是固定工具的陰極，工件裝夾和對刀工作完成后開始加工，伺服電機(jī)專用的驅(qū)動主軸需要嚴(yán)格保持規(guī)定的進(jìn)給速度，勻速完成工件加工。

本次設(shè)計的數(shù)控機(jī)床自動控制系統(tǒng)屬于一種半閉環(huán)控制系統(tǒng)，所有的反饋裝置均是增量式光電編碼器。光電編碼器可以對電機(jī)實際運動的角位移進(jìn)行精確記錄，并將記錄結(jié)果反饋至PLC，對比電機(jī)實際運動的位移，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的精準(zhǔn)控制。

輸出伺服報警、伺服準(zhǔn)備好、定位完成信號需要通過中間繼電器實現(xiàn)，伺服I/O接口電路需與地相接。伺服驅(qū)動器對應(yīng)的電機(jī)接線端子X2和伺服電機(jī)航空插頭需要嚴(yán)格按照規(guī)定要求在連接時一一對應(yīng)，同時需要確保電機(jī)接地端子與地相接的方式正確。

3.2 軟件設(shè)計

本課題要求設(shè)置的伺服驅(qū)動器參數(shù)對應(yīng)X、Y、Z軸驅(qū)動器，每一種軸驅(qū)動器均為A4系列，其中：X軸驅(qū)動器型號為MBDDT2210-B系列；Y軸驅(qū)動器型號為MCDDT3250-C系列；Z軸驅(qū)動器型號為MDDDT5540-D系列。在對各個軸控制要求進(jìn)行深入分析后，隨后在此基礎(chǔ)上對各軸驅(qū)動器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。X、Y軸伺服系統(tǒng)的主要驅(qū)動對象分別為橫移工作臺、縱移工作臺，Z軸伺服系統(tǒng)驅(qū)動主軸。三軸電機(jī)均屬于A4系列，因此驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置具有高度的相似性，表1為部分參數(shù)設(shè)置。

表1 X、Y、Z軸伺服驅(qū)動器部分參數(shù)設(shè)置表

3.3 機(jī)床控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

（1）系統(tǒng)程序的總體設(shè)計。本次研究中設(shè)計的數(shù)控機(jī)床自動化控制系統(tǒng)具備自動加工、手動加工、故障報警、過電流等多種功能，這些功能在實際設(shè)計過程中都需要進(jìn)行綜合考慮并進(jìn)行針對性的程序設(shè)計。在設(shè)計過程中需要將程序分成若干模塊，同時借助主程序、子程序結(jié)合后形成一種結(jié)構(gòu)編程[5]。

編撰應(yīng)用程序前需對系統(tǒng)I/O信號進(jìn)行地址分配，地址分配完成以后，在模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，對各項功能模塊程序進(jìn)行撰寫，編寫主程序在最后一步。

（2）快動點動程序設(shè)計。本次研究中設(shè)計的控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)對三根軸數(shù)控機(jī)床控制的運動，X軸、Y軸、Z軸都可以做直線運動，結(jié)合實際控制需求，三根軸快動速度可以達(dá)到300mm/min，點動速度10mm/min。在實際操作機(jī)床的過程中，在位移量偏大的情況下，通常會選擇快速進(jìn)給；在位移量偏小的情況下實現(xiàn)精確控制，會選擇適當(dāng)?shù)慕o進(jìn)方式。

部分程序在設(shè)計過程中需要充分考慮每部分之間的互鎖，系統(tǒng)控制過程中需要對X、Y、Z三根軸進(jìn)行控制，對每根軸快動點動操作前需要事先結(jié)合選定軸作為控制對象。在設(shè)計系統(tǒng)的過程中需要使用觸摸屏的選擇按鈕，配合操作站作為選擇模式，觸摸屏、按鈕站實現(xiàn)互鎖保護(hù)。

按照系統(tǒng)快進(jìn)程序指示，需要使用觸摸屏快進(jìn)，對應(yīng)的操作站會被禁止輸入，如果不遵從這種規(guī)則就會導(dǎo)致觸摸屏輸入無效?？靹?、點動間需要設(shè)置對應(yīng)的互鎖保護(hù)，如在任意軸快進(jìn)的情況下，快退、點進(jìn)、點退均會被鎖定?？刂茩C(jī)床全過程要求最大限度地確保電機(jī)的安全，從而在保證各軸抵達(dá)極限位置以后不會再向前運動。通常將限位開關(guān)常閉觸點串聯(lián)在速度輸出指令前，在軸運動達(dá)到極限位置時限位開關(guān)發(fā)出相應(yīng)信號，在觸點斷開以后、脈沖輸出停止以后，Y軸對應(yīng)的運動需要由位置控制模塊CJ1W、NC113負(fù)責(zé)控制工作，Y軸DM區(qū)設(shè)置快動脈沖輸出頻率，同時需要在CIO區(qū)域內(nèi)展開觸發(fā)，隨后可以實現(xiàn)Y軸快進(jìn)。

4 結(jié)語

設(shè)計PLC數(shù)控機(jī)床自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升、人員勞動強(qiáng)度的降低，從而使用更少的時間生產(chǎn)出更多合格的產(chǎn)品。PLC數(shù)控機(jī)床自動化控制系統(tǒng)在實際設(shè)計過程中應(yīng)該結(jié)合生產(chǎn)的實際情況，選定合適的PLC型號、CPU型號。本次研究選擇的PLC型號為CJ1WPA205R，CPU型號為CJ1M-CPU22，在此基礎(chǔ)上完成硬件設(shè)計，隨后正式進(jìn)入自動控制系統(tǒng)設(shè)計，包括伺服電機(jī)、軟件設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計，實現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的有效控制。實踐表明，本次設(shè)計的PLC數(shù)控機(jī)床自動化控制系統(tǒng)從本質(zhì)上提升了生產(chǎn)效率，達(dá)到了預(yù)期的水平，證明了自動化生產(chǎn)的優(yōu)勢與積極意義。