基于PLC的數控機床自動化生產技術研究

　　摘要：針對當前數控機床配套系統的升級成本高、耗時長的問題,文中分析了數控機床的現狀,基于PLC編程與電路、機械改造等技術設計了一套數控及監控系統。該系統在改造工作臺、主軸、控制電路等基礎上,利用PLC編程、C#語言和Socket編程,實現了排屑、冷卻、刀具控制、設備監控、設備管理等現代化數字功能。經試車與運行測試分析結果表明,該系統能夠可靠、穩定運行,加工精度可以達到±0.04mm,在有效提高加工精度的同時并未耗費過多的時長。因此,文中所提出的設計方案為數控機床的PLC編程及自動化生產功能的拓展提供了有效的技術支持。

　　本文源自信息技術,2020,44(08):74-78.《信息技術》(月刊)創刊于1977年，是由中國電子信息產業發展研究院、黑龍江省信息技術學會主辦;主管部門黑龍江省信息產業廳;由黑龍江移動通信公司、黑龍江省誠信建設促進會、黑龍江省軟件行業協會、黑龍江省農業信息中心、黑龍江省農墾通信有限公司等單位協辦。辦刊宗旨是：大力宣傳國家信息基礎建設和信息產業發展形式，深入報導國內外信息技術(產品)發展趨勢，交流信息化建設經驗，推介信息產業界精英。

　　自動化技術作為科技發展的重要成果之一,推動著工業化的生產方式從人工逐漸轉向了自動化與智能化,被廣泛應用于軍事、工業等領域[1,2]。在各類自動化裝置中,數控機床發揮著重要作用,其搭載的數控系統能夠根據事先設定的程序,高效地加工各類精密、復雜的零件,而這些都是人工或半自動生產模式難以做到的[3,4]。此外,數控機床還大幅解放了勞動力,在保證效率與精準度的同時,有效提高生產的安全性[5]。

　　然而,數控機床與相應的配套數控系統具有較快的迭代速度,且需要持續性的維護與更新[6,7]。老舊的數控機床雖能夠在一定時間內保持較好的加工性能,但逐漸難以滿足日益發展的生產需求。若重新購買數控機床與配套系統,則所需的資金投入大,且為企業帶來較大的生產與盈利壓力[8,9]。

　　1、技術分析

　　1.1 PLC技術

　　PLC技術借助可編程控制器,能夠控制嵌入式設備按照事先寫入與編程的軟件程序進行控制輸出。其具有高效、精準、擴展能力強等特點,能夠有效提高數控機床的控制準確性與精度,從而延長使用壽命,增加控制功能的豐富性[10]。

　　1.2 機械改造技術

　　針對數控機床的升級需要機械改造技術的支持,主要針對刀具架、工作臺、滑座等部件進行改造與升級。在工作臺的改造過程中,需要注意滿足控制功能的升級安裝需求,也需要保留手動控制開關用于特殊情況下的人工接入,從而保證數控機床的穩定、可靠運行。在刀架改造過程中,需要注意控刀方式,使用合適的刀架為控刀的實時性與準確性提供支持。在護欄改造的過程中,需要注意數控機床改造后較高的運行速度帶來的防護需要,保證機床的正常運行及工作人員的安全操作。

　　1.3 電路改造技術

　　針對數控機床的升級通常以電路改造技術為核心,主要包括電路接口、伺服電機及控制開關的改造[11]。其中,伺服電機改造通常是由于工藝或精度需要而對伺服電機的位置與數量進行改變。電路接口改造則是因為需要引入各種不同的設備或需要更改的控制功能。而數控機床的信號輸出需要借助電路接口而實現,因此需要根據升級的不同功能設計或定義不同的電路接口?？刂崎_關改造通常是因為機床陳舊而對其精準加工產生較大的影響,即需要在改造過程中使用新式控制開關替換老舊的開關設備,從而避免產生難以預知的生產錯誤。

　　1.4 監控系統的開發與實現

　　監控系統是數控機床運行的重要保障,由軟硬件組成,可借助傳感器技術對機床運行過程中的振動、溫度等參數進行獲取與監控。借助無線與有線相關網絡技術,可對監控數據進行傳送。

　　監控系統的配套軟件開發,主要使用網絡編程、嵌入式編程及.NET開發技術[12,13,14]。其中,網絡編程主要使用Socket編程技術,借助套接字與端口等網絡控制方法對網絡通信進行控制,并按照數據實時性要求選擇TCP或UDP方式。嵌入式編程主要使用嵌入式C語言,該語言具有較高的開發與資源使用效率及快速的運行速度,從而符合數控機床監控系統的運行需求。.NET開發則使用C#技術的Winform模式,借助成熟的開發模型與豐富的功能函數可以高效地開發出運行速度快、安全、可靠的上位機系統。

　　2、系統需求分析

　　本文數控機床的型號為VMC850E,該機床的配置為:4軸聯動、24輸出/32輸入的I/O點數、4+1軸控制、可離線/在線編輯的梯形圖、0.1μm的最小指令單位、真彩色TFT顯示屏、插板式結構。此外,該機床具備各項補償功能(刀具半徑補償、反向間隙補償、刀具長度補償等),能夠在加減速情況下完成S曲線/直線的加工操作。其支持自動鎖緊(分度軸),支持如剛性攻絲、鉆、鉸等循環功能以及小線段加工等功能。

　　為了滿足刀具調整、冷卻、液壓等后續需要升級的功能,該數控機床配套的系統需要滿足多軸聯動(X,Y,Z三軸甚至四軸)、32輸出/64輸入的I/O點數、脈沖/模擬/總線的軸控制方式、CPU板卡內嵌、軸控制接口(USB、網絡、本機和外部I/O)集成、總線式的I/O擴展、PLC離線/在線編程、高速PLC(3us/step)內嵌等功能。

　　為了匹配上述功能,需要對工作臺負荷、最大行程(滑座和主油箱)進行重新設計,對包括電機功率、轉速、傳動方式等在內的主軸參數進行重新設計,對刀具型號與相應的進給速度進行重新確定與匹配。由于PLC編程需要對刀具、潤滑、液壓、排屑進行控制,從而實現刀具正反轉與松緊控制、排屑數量與時間控制、液壓壓力大小與開始時間控制等功能。因此,PLC編程需要對地址映射進行確定。此外,數控機床電路需要針對伺服電機的調整進行重新設計,以滿足各類設備的工作與控制需求。監控系統需要對立桿、主軸等部件溫度進行監測,從而根據實際情況控制機床執行諸如停機、加潤滑油、報警等操作。同時通過無線網絡進行數據采集、傳輸與記錄,從而完成數據的記錄、分析、處理、查詢與報表生成。

　　3、系統設計方案和實現

　　3.1 數控系統設計與實現

　　本文數控系統的組成結構,如圖1所示。其中上位機軟件主要為監控系統,用于分析、顯示與處理下位機上傳的數據,并根據工作人員需求進行命令下發控制。下位機軟件主要用于采集傳感器數據,并根據打包規則進行封裝和傳輸。下位機硬件主要包括:溫度傳感器(DS18B20)、振動傳感器(ADXL345)和接收裝置(W5300以太網芯片和CC2430無線通信芯片)。數據庫則使用SQLServer2008以滿足數據采集與存儲的實時性需求[15,16]。

　　圖1本文數控系統組成結構示意圖

　　本文的電路改造主要針對控制電路與外部I/O電路進行改造和升級。在控制電路改造中,主要借助接觸器實現冷卻與排屑電機的外部控制。冷卻電機的控制電路改造示意圖如圖2(a)所示。通過對PLC輸出點的接觸器控制完成電機的冷卻液抽取,從而揮發掉因加工工件與刀具摩擦生成的熱量。排屑電機的控制電路改造示意圖如圖2(b)所示。通過對PLC輸出點的接觸器控制完成雙向電機上鉸籠/拖鏈的運動排屑,從而避免夾屑帶來的加工精度下降的問題。

　　圖2冷卻電機與排屑電機的控制電路改造示意圖

　　在外部I/O電路改造過程中,主要通過重新連接與定義接口來實現輸入輸出接口的改造。輸入接口改造示意圖如圖3(a)所示,圖中的X4.2、X3.5與X3.3主要用于冷卻電機的信號輸入,而X4.3主要用于排屑電機的信號輸入。輸出接口改造示意圖如圖3(b)所示,圖中的Y2.4與Y2.3主要用于排屑電機的反正轉信號輸出,而Y2.2主要用于冷卻電機的信號輸出。

　　圖3外部I/O電路輸入接口與輸出接口改造示意圖

　　本文的機械改造主要針對工作臺、刀具和主軸進行設計與安裝。為了滿足刀具與電機的調整,文中工作臺經重新設計后的參數為:承重1.2t,尺寸為1200mm×600mm,X、Y、Z軸方向的最大行程為900mm、600mm與550mm,T型槽尺寸為20mm×5mm。主軸調整后的參數為:皮帶式傳動,錐孔為BT40型,輸出扭矩最大為36.2N·m,轉速為60～8500r/min。刀具庫經重新設計后的參數為:斗笠式刀庫,刀柄與拉釘規格為MAS403,容量為20把,最大刀具重量與長度分別為7.5kg、260mm,換刀時間為6.5s。進給電機經調整后的速度為0.5～12000mm/min,X、Y、Z軸方向的最快移動速度為25mm/min。

　　本文的PLC編程主要涉及上述控制設備,即I/O端口的編程。具體而言,在確定端口與設備的映射關系后對地址進行編程,將編寫好的程序傳送到調試組件(CNC中)進行測試與調試。待程序完全符合預定的設計功能后,最終在CNC系統中寫入。

　　數控機床冷卻功能需要觸發冷卻電機按鍵從而實現,按鍵行為的變化會導致冷卻電機的啟停及工作指示燈的變化。冷卻功能的PLC編程依次需要進行如下操作:M代碼選通、啟停條件設置、代碼與按鈕處理過程設置、按鈕輸入、啟動判斷、工作指示燈控制與冷卻電機輸出控制。相應核心部分的梯形圖如圖4所示。

　　圖4冷卻功能的PLC編程核心部分梯形圖

　　液壓站功能主要用于刀具的松夾控制,通過活塞、拉桿與拉爪的控制實現刀具刀柄拉釘的松緊刀操作。其PLC編程依次需要進行如下操作:啟動與允許條件設置、按鈕輸入、助力啟動條件與換刀模式判斷、工作指示燈控制及液壓電機輸出控制。

　　數控機床排屑功能需要對排屑電機的雙向運動(正反轉)進行控制從而實現,其PLC編程依次需要進行如下操作:M代碼選通、啟動處理設置、正反轉處理設置、按鈕輸入、正反轉判斷、工作指示燈控制與排屑電機輸出控制。相應的核心部分梯形圖如圖5所示。

　　圖5排屑功能的PLC編程核心部分梯形圖

　　刀具控制功能需要對刀具主軸進行正反轉、停止與定位控制而實現,其PLC編程依次需要進行如下操作:M代碼選通、刀具啟停與條件判斷、主軸啟動與控制輸出、主軸停止、停止應答判斷及主軸控制輸出與執行。相應的核心部分梯形圖如圖6所示。

　　圖6刀具控制功能的PLC編程核心部分梯形圖

　　潤滑功能的控制需要對潤滑泵進行啟停控制來實現,主要用于為控制導軌打油,從而提高數控機床的使用壽命及工件加工精度的穩定性。一般情況下,數控機床的潤滑功能在工作時便會自動啟動。

　　3.2 監控系統的設計與實現

　　本文的監控系統結構示意圖如圖7所示。通過數控機床上各類傳感裝置的數據采集,經無線與有線網絡將上述數據傳給接收裝置,并進一步傳至上位機軟件進行處理分析與反饋控制,從而實現數控機床的工作監控與平穩運行。

　　圖7監控系統結構示意圖

　　本文的監控系統主要包含數據采集與數據處理功能,前者可分為設備管理、設備監控、報表查詢三個模塊,可用于實現數據的查詢、分析與報表輸出。后者可分為數據采集和存儲兩個模塊,可用于實現數據的通信與采集。

　　為了滿足監控系統的實時性與分類存儲需求,本文在數據庫中設計了數控機床基本信息表、當前運行狀態信息表(如表1所示)、歷史運行狀態信息表與報警信息匯總表。

　　借助C#語言與C/S運行模式,本文對監控系統進行開發與實現。數控機床監控系統設備管理功能界面如圖8所示。在該界面下,可以對數控機床的信息進行查詢與管理。通過右側一列按鈕的操作,可以對絲桿、主軸、床身等部件的基本信息進行管理。通過查看下方設備列表欄,能夠對各部件信息進行查看。

　　圖8數控機床監控系統設備管理功能界面

　　數控機床監控系統設備監控功能界面如圖9所示。在該界面下,可以通過設備ID的點擊,查詢所需監控部件的運行狀態。通過輸入如起始時間、設備ID等信息,也可以查詢到與輸入相關的部件信息。

　　圖9數控機床監控系統設備監控功能界面

　　本文將上述數控系統與監控系統在機床上進行整合、試車與運行測試。加工復雜工件(包括圓、菱形、矩形等面的組合)測試結果,如表2所示。易知,本文數控系統與監控系統的各項功能符合預期,改造后的數控機床工作可靠、穩定,能夠正確完成設定的72h持續循環任務。且加工復雜工件的誤差僅為±0.04mm,而加工工件的時間僅比改造前多了10%。此外,改造后的數控機床還預留了眾多外接接口,為自動化生產能力的進一步升級留出了空間。

　　4、結束語

　　針對現有的數控機床更換與升級成本較高的問題,本文借助PLC編程技術與電路、機械改造技術,設計了一套用于現有數控機床自動化生產功能升級的數控及配套監控系統。該系統在機械與電路改造的基礎上,利用PLC編程實現排屑、冷卻、刀具控制等功能。試車與測試運行結果表明,該系統能夠可靠、穩定地工作,在提高加工精度、豐富自動化生產功能的同時并未大幅增加工件加工的時間。因此,能夠提高數控機床的PLC編程及自動化生產能力。

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