數(shù)控機(jī)床主要是為特殊工件、特殊加工進(jìn)行設(shè)計(jì)的一種高精度自動(dòng)化的加工設(shè)備，此類設(shè)備可同時(shí)多刀工作，并具有自動(dòng)循環(huán)功能。數(shù)控機(jī)床的動(dòng)力部分大多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，采用電氣系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，是電機(jī)和電液的自動(dòng)化設(shè)備。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用PLC代替了傳統(tǒng)的繼電器控制完成自動(dòng)控制，從而使機(jī)床控制結(jié)構(gòu)更加緊湊，功能豐富，提升了可靠性和響應(yīng)速度。

組合機(jī)床是隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，由通用機(jī)床、專用機(jī)床發(fā)展起來的。通用機(jī)床一般用一把刀具進(jìn)行加工，自動(dòng)化程度低、輔助時(shí)間長、生產(chǎn)效率低，但通用機(jī)床能夠重新調(diào)整，以適應(yīng)加工對象的變化。專用機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的多刀切削，自動(dòng)化程度較高，結(jié)構(gòu)較簡單，生產(chǎn)效率也較高。但是，專用機(jī)床的設(shè)計(jì)，制造周期長，造價(jià)高，工作可靠性也較差。專用機(jī)床是針對某工件的一定工序設(shè)計(jì)的，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，工件的結(jié)構(gòu)，尺寸稍有變化時(shí)，它就不能繼續(xù)使用。在綜合了通用機(jī)床、專用機(jī)床優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了組合機(jī)床。組合機(jī)床通常由標(biāo)準(zhǔn)通用部件和加工專用部件組合構(gòu)成，動(dòng)力部件采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，由電氣系統(tǒng)進(jìn)行工作自動(dòng)循環(huán)的控制，是典型的機(jī)電或機(jī)電液一體化的自動(dòng)加工設(shè)備。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求，機(jī)床電氣控制裝置也不斷更新。在控制方法上主要從手動(dòng)控制到自動(dòng)控制；在控制功能上，是從簡單到復(fù)雜；在操作上由笨重到輕松，從控制原理上，由單一的有觸點(diǎn)硬接線繼電器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為以微處理器為中心的軟件控制系統(tǒng)。在上世紀(jì)的20年代到30年代，借助繼電器、接觸器、按鈕和行程開關(guān)等組成繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的啟動(dòng)、停車、有級調(diào)速等控制。目前，在我國繼電器接觸器控制仍然是機(jī)床和其它機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)提高了電氣控制的靈活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。因而60年代出現(xiàn)了一種能夠根據(jù)需要，方便改變控制系統(tǒng)，而又要比計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉的自動(dòng)化裝置——順序控制器，它能通過組合邏輯元件插接或變成來實(shí)現(xiàn)繼電器-接觸器控制線路功能的裝置，也能滿足成組經(jīng)常改變的控制要求，使控制系統(tǒng)具有較大的靈活性和通用性，但它還是使用硬件手段，裝置體積大，功能也受到了一定的限制。

隨著大規(guī)模集成電路和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，上述控制技術(shù)也發(fā)生了根本變化。在70年代出現(xiàn)了用軟件手段來實(shí)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），它完全能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，且由于兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器-接觸器控制兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前世界各國將其作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

PLC機(jī)型選擇

選擇合理PLC的型號，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。選擇機(jī)型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護(hù)使用方便以及最佳功能價(jià)格比。

（1）結(jié)構(gòu)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(gè)點(diǎn)的平均價(jià)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(kuò)展靈活方便。在點(diǎn)數(shù)上，輸入點(diǎn)數(shù)，輸出點(diǎn)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(fù)雜的控制系統(tǒng)。

對于組合機(jī)床，選用整體式PLC較好。

（2）I/O點(diǎn)選取原則

PLC平均的I/O點(diǎn)價(jià)格比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定余量。通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控制對象的輸入輸出信號的實(shí)際需要，再加上10%-20%的余量來確定。

由PLC組成的四工位組合機(jī)床控制系統(tǒng)有輸入信號42個(gè)，均為開關(guān)量。其中檢測元件17個(gè)，按鈕開關(guān)24個(gè)，選擇開關(guān)1個(gè)。

電控制系統(tǒng)有輸出信號27個(gè)，其中電磁閥16個(gè)，六臺(tái)電動(dòng)機(jī)的接觸器和5個(gè)指示燈。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的選取原則考慮10%-20%的I/O點(diǎn)數(shù)余量輸入點(diǎn)數(shù)可選取46-50個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)可選取29-33個(gè)。

（3）確定PLC機(jī)型及擴(kuò)展模塊

根據(jù)（1）（2）及實(shí)際PLC機(jī)型點(diǎn)數(shù)，選用FX2N-64MR主機(jī)和一個(gè)16點(diǎn)的輸入擴(kuò)展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點(diǎn)（32+16）。輸出點(diǎn)就是主機(jī)的32。足夠可以滿足42個(gè)輸入，27個(gè)輸出的要求，而且留有一定余量。

輸入輸出信號分配

輸入輸出信號地址表是將輸入輸出列成表，給出相應(yīng)的地址和名稱，以備軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用的一種表。由本設(shè)計(jì)可知控制電路中的按鈕，行程開關(guān)，檢測元件等觸點(diǎn)都屬于PLC的輸入設(shè)備，PLC的輸出控制對象主要是控制電路中的執(zhí)行元件，本設(shè)計(jì)主要是接觸器，電磁閥，指示燈。根據(jù)電控系統(tǒng)的輸入輸出信號表可知系統(tǒng)包括：

（1）輸入元件數(shù)量

行程開關(guān)12個(gè)

按鈕24個(gè)

選擇開關(guān)1個(gè)

檢測元件5個(gè)

（2）輸出元件數(shù)量

電磁閥16個(gè)

接觸器6個(gè)

指示燈5個(gè)

根據(jù)本設(shè)計(jì)選用的PLC機(jī)型，將輸入輸出元件分配到PLC的輸入輸出接口，所給的輸入輸出元件見表1。

表1輸入輸出信號地址表

PLC控制系統(tǒng)電氣原理圖

I/O接口圖它反映的是PLC輸入輸出模塊與現(xiàn)場設(shè)備的連接。PLC的輸入點(diǎn)大部分是共點(diǎn)式，即所有輸入點(diǎn)具有一個(gè)公共端COM。I/O電氣接口圖如圖1。

圖1I/O電氣接口圖

設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)操作面板

控制系統(tǒng)的操作面板是向PLC控制系統(tǒng)發(fā)布控制命令的主令元件組合而成的。本設(shè)計(jì)中，輸入元件共42個(gè)其中按鈕SB24個(gè)、檢測元件YJ5個(gè)、行程開關(guān)SQ12個(gè)，選擇開關(guān)1個(gè)，基于對機(jī)床工作方式的控制要求，面板上應(yīng)設(shè)有選擇開關(guān)1SA、預(yù)停按鈕；鑒于手動(dòng)調(diào)整方式下，相應(yīng)按鈕發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)組合機(jī)床相應(yīng)部件運(yùn)動(dòng)，因此面板上應(yīng)設(shè)相應(yīng)按鈕5SB-24SB，鑒于對組合機(jī)床的啟動(dòng)，停止及潤滑故障的處理控制，應(yīng)在操作制面板上設(shè)有啟動(dòng)按鈕2SB、總停按鈕1SB、潤滑故障切除按鈕4SB、其他輸入元件均為檢測元件，不在操作面板中設(shè)置，由上面綜述，可得控制系統(tǒng)操作面板如下圖2所示。

圖2控制系統(tǒng)操作面板圖

PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)的控制與工藝要求，按機(jī)床的動(dòng)作順序及每步所完成的任務(wù)，可得工作循環(huán)流程。

1、PLC控制系統(tǒng)初始化梯形圖程序

初始化程序主要用來處理組合機(jī)床的各種號，如啟動(dòng)、預(yù)停、總停以及各種的原始信號，機(jī)床啟動(dòng)前應(yīng)具備的各種初始信號，工作方式選擇信號，各種復(fù)位信號，并將處理結(jié)果作為機(jī)床啟動(dòng)、停止、程序轉(zhuǎn)換的依據(jù)，初始化程序一般用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)。根據(jù)控制要求，采用STL指令，來定義相應(yīng)的工作方式，手動(dòng)，自動(dòng)，利用預(yù)停按鈕來控制全自動(dòng)與半自動(dòng)工作狀態(tài)的切換，并利用定時(shí)器設(shè)定了潤滑電動(dòng)機(jī)間歇時(shí)間，初始化程序見下圖3。

圖3設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)初始化梯形圖程序

2、PLC控制系統(tǒng)手動(dòng)及顯示梯形圖程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的手動(dòng)程序與顯示程序均為用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)的梯形圖。

手動(dòng)程序：主要在調(diào)整和檢修時(shí)使用。

為了對滑臺(tái)的進(jìn)退、上料器的進(jìn)退、夾具的加緊松開等進(jìn)行調(diào)整與控制，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的手動(dòng)程序，設(shè)計(jì)手動(dòng)程序時(shí)應(yīng)注意互鎖的設(shè)計(jì)。

顯示程序：根據(jù)機(jī)床的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)指示燈顯示。如手動(dòng)及顯示梯形圖程序圖4。

圖4PLC控制系統(tǒng)手動(dòng)及顯示梯形圖程序

3、設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與梯形圖程序

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是完整地描述控制系統(tǒng)的工作過程，功能和特性的一種圖形，是分析和設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)控制程序的重要工具。本設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖按下列幾步進(jìn)行的。

1按組合機(jī)床的控制要求與加工工藝畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

2在畫出的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖上以PLC輸入點(diǎn)或其他元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。

3按照電控系統(tǒng)提供的電氣執(zhí)行元件功能表，在狀態(tài)流程圖上對每個(gè)狀態(tài)和動(dòng)作命令配畫上實(shí)現(xiàn)該狀態(tài)或動(dòng)作命令的控制功能的電氣執(zhí)行元件，并以對應(yīng)的PLC輸出點(diǎn)的編號定義這些電氣執(zhí)行元件。

由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖易的相應(yīng)的梯形圖程序，它們二者是一一對應(yīng)關(guān)系，梯形圖程序請見圖5。

圖5PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序

結(jié)論

PLC作為新一代的工業(yè)控制裝置，具有開發(fā)柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，用它來控制四工位組合機(jī)床這樣復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，是理想的選擇。PLC的采用，降低了機(jī)床的故障率，節(jié)省了大量的維修費(fèi)用，提高了整機(jī)的可靠性，保證了工件的精度要求。