基于PLC的數(shù)控機(jī)床自動化生產(chǎn)技術(shù)研究

　　摘要：針對當(dāng)前數(shù)控機(jī)床配套系統(tǒng)的升級成本高、耗時長的問題,文中分析了數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀,基于PLC編程與電路、機(jī)械改造等技術(shù)設(shè)計(jì)了一套數(shù)控及監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在改造工作臺、主軸、控制電路等基礎(chǔ)上,利用PLC編程、C#語言和Socket編程,實(shí)現(xiàn)了排屑、冷卻、刀具控制、設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備管理等現(xiàn)代化數(shù)字功能。經(jīng)試車與運(yùn)行測試分析結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定運(yùn)行,加工精度可以達(dá)到±0.04mm,在有效提高加工精度的同時并未耗費(fèi)過多的時長。因此,文中所提出的設(shè)計(jì)方案為數(shù)控機(jī)床的PLC編程及自動化生產(chǎn)功能的拓展提供了有效的技術(shù)支持。

　　本文源自信息技術(shù),2020,44(08):74-78.《信息技術(shù)》(月刊)創(chuàng)刊于1977年，是由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院、黑龍江省信息技術(shù)學(xué)會主辦;主管部門黑龍江省信息產(chǎn)業(yè)廳;由黑龍江移動通信公司、黑龍江省誠信建設(shè)促進(jìn)會、黑龍江省軟件行業(yè)協(xié)會、黑龍江省農(nóng)業(yè)信息中心、黑龍江省農(nóng)墾通信有限公司等單位協(xié)辦。辦刊宗旨是：大力宣傳國家信息基礎(chǔ)建設(shè)和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展形式，深入報導(dǎo)國內(nèi)外信息技術(shù)(產(chǎn)品)發(fā)展趨勢，交流信息化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，推介信息產(chǎn)業(yè)界精英。

　　自動化技術(shù)作為科技發(fā)展的重要成果之一,推動著工業(yè)化的生產(chǎn)方式從人工逐漸轉(zhuǎn)向了自動化與智能化,被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)等領(lǐng)域[1,2]。在各類自動化裝置中,數(shù)控機(jī)床發(fā)揮著重要作用,其搭載的數(shù)控系統(tǒng)能夠根據(jù)事先設(shè)定的程序,高效地加工各類精密、復(fù)雜的零件,而這些都是人工或半自動生產(chǎn)模式難以做到的[3,4]。此外,數(shù)控機(jī)床還大幅解放了勞動力,在保證效率與精準(zhǔn)度的同時,有效提高生產(chǎn)的安全性[5]。

　　然而,數(shù)控機(jī)床與相應(yīng)的配套數(shù)控系統(tǒng)具有較快的迭代速度,且需要持續(xù)性的維護(hù)與更新[6,7]。老舊的數(shù)控機(jī)床雖能夠在一定時間內(nèi)保持較好的加工性能,但逐漸難以滿足日益發(fā)展的生產(chǎn)需求。若重新購買數(shù)控機(jī)床與配套系統(tǒng),則所需的資金投入大,且為企業(yè)帶來較大的生產(chǎn)與盈利壓力[8,9]。

　　1、技術(shù)分析

　　1.1 PLC技術(shù)

　　PLC技術(shù)借助可編程控制器,能夠控制嵌入式設(shè)備按照事先寫入與編程的軟件程序進(jìn)行控制輸出。其具有高效、精準(zhǔn)、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn),能夠有效提高數(shù)控機(jī)床的控制準(zhǔn)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(jī)械改造技術(shù)

　　針對數(shù)控機(jī)床的升級需要機(jī)械改造技術(shù)的支持,主要針對刀具架、工作臺、滑座等部件進(jìn)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(guān)用于特殊情況下的人工接入,從而保證數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定、可靠運(yùn)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(shí)時性與準(zhǔn)確性提供支持。在護(hù)欄改造的過程中,需要注意數(shù)控機(jī)床改造后較高的運(yùn)行速度帶來的防護(hù)需要,保證機(jī)床的正常運(yùn)行及工作人員的安全操作。

　　1.3 電路改造技術(shù)

　　針對數(shù)控機(jī)床的升級通常以電路改造技術(shù)為核心,主要包括電路接口、伺服電機(jī)及控制開關(guān)的改造[11]。其中,伺服電機(jī)改造通常是由于工藝或精度需要而對伺服電機(jī)的位置與數(shù)量進(jìn)行改變。電路接口改造則是因?yàn)樾枰敫鞣N不同的設(shè)備或需要更改的控制功能。而數(shù)控機(jī)床的信號輸出需要借助電路接口而實(shí)現(xiàn),因此需要根據(jù)升級的不同功能設(shè)計(jì)或定義不同的電路接口。控制開關(guān)改造通常是因?yàn)闄C(jī)床陳舊而對其精準(zhǔn)加工產(chǎn)生較大的影響,即需要在改造過程中使用新式控制開關(guān)替換老舊的開關(guān)設(shè)備,從而避免產(chǎn)生難以預(yù)知的生產(chǎn)錯誤。

　　1.4 監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

　　監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的重要保障,由軟硬件組成,可借助傳感器技術(shù)對機(jī)床運(yùn)行過程中的振動、溫度等參數(shù)進(jìn)行獲取與監(jiān)控。借助無線與有線相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

　　監(jiān)控系統(tǒng)的配套軟件開發(fā),主要使用網(wǎng)絡(luò)編程、嵌入式編程及.NET開發(fā)技術(shù)[12,13,14]。其中,網(wǎng)絡(luò)編程主要使用Socket編程技術(shù),借助套接字與端口等網(wǎng)絡(luò)控制方法對網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行控制,并按照數(shù)據(jù)實(shí)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(fā)與資源使用效率及快速的運(yùn)行速度,從而符合數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行需求。.NET開發(fā)則使用C#技術(shù)的Winform模式,借助成熟的開發(fā)模型與豐富的功能函數(shù)可以高效地開發(fā)出運(yùn)行速度快、安全、可靠的上位機(jī)系統(tǒng)。

　　2、系統(tǒng)需求分析

　　本文數(shù)控機(jī)床的型號為VMC850E,該機(jī)床的配置為:4軸聯(lián)動、24輸出/32輸入的I/O點(diǎn)數(shù)、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(jié)構(gòu)。此外,該機(jī)床具備各項(xiàng)補(bǔ)償功能(刀具半徑補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、刀具長度補(bǔ)償?shù)?,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(huán)功能以及小線段加工等功能。

　　為了滿足刀具調(diào)整、冷卻、液壓等后續(xù)需要升級的功能,該數(shù)控機(jī)床配套的系統(tǒng)需要滿足多軸聯(lián)動(X,Y,Z三軸甚至四軸)、32輸出/64輸入的I/O點(diǎn)數(shù)、脈沖/模擬/總線的軸控制方式、CPU板卡內(nèi)嵌、軸控制接口(USB、網(wǎng)絡(luò)、本機(jī)和外部I/O)集成、總線式的I/O擴(kuò)展、PLC離線/在線編程、高速PLC(3us/step)內(nèi)嵌等功能。

　　為了匹配上述功能,需要對工作臺負(fù)荷、最大行程(滑座和主油箱)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),對包括電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、傳動方式等在內(nèi)的主軸參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),對刀具型號與相應(yīng)的進(jìn)給速度進(jìn)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(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)刀具正反轉(zhuǎn)與松緊控制、排屑數(shù)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(jìn)行確定。此外,數(shù)控機(jī)床電路需要針對伺服電機(jī)的調(diào)整進(jìn)行重新設(shè)計(jì),以滿足各類設(shè)備的工作與控制需求。監(jiān)控系統(tǒng)需要對立桿、主軸等部件溫度進(jìn)行監(jiān)測,從而根據(jù)實(shí)際情況控制機(jī)床執(zhí)行諸如停機(jī)、加潤滑油、報警等操作。同時通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸與記錄,從而完成數(shù)據(jù)的記錄、分析、處理、查詢與報表生成。

　　3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)

　　3.1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文數(shù)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),如圖1所示。其中上位機(jī)軟件主要為監(jiān)控系統(tǒng),用于分析、顯示與處理下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù),并根據(jù)工作人員需求進(jìn)行命令下發(fā)控制。下位機(jī)軟件主要用于采集傳感器數(shù)據(jù),并根據(jù)打包規(guī)則進(jìn)行封裝和傳輸。下位機(jī)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(wǎng)芯片和CC2430無線通信芯片)。數(shù)據(jù)庫則使用SQLServer2008以滿足數(shù)據(jù)采集與存儲的實(shí)時性需求[15,16]。

　　圖1本文數(shù)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)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(jìn)行改造和升級。在控制電路改造中,主要借助接觸器實(shí)現(xiàn)冷卻與排屑電機(jī)的外部控制。冷卻電機(jī)的控制電路改造示意圖如圖2(a)所示。通過對PLC輸出點(diǎn)的接觸器控制完成電機(jī)的冷卻液抽取,從而揮發(fā)掉因加工工件與刀具摩擦生成的熱量。排屑電機(jī)的控制電路改造示意圖如圖2(b)所示。通過對PLC輸出點(diǎn)的接觸器控制完成雙向電機(jī)上鉸籠/拖鏈的運(yùn)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(jī)與排屑電機(jī)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(shí)現(xiàn)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(jī)的信號輸入,而X4.3主要用于排屑電機(jī)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(jī)的反正轉(zhuǎn)信號輸出,而Y2.2主要用于冷卻電機(jī)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(jī)械改造主要針對工作臺、刀具和主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)與安裝。為了滿足刀具與電機(jī)的調(diào)整,文中工作臺經(jīng)重新設(shè)計(jì)后的參數(shù)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(diào)整后的參數(shù)為:皮帶式傳動,錐孔為BT40型,輸出扭矩最大為36.2N·m,轉(zhuǎn)速為60～8500r/min。刀具庫經(jīng)重新設(shè)計(jì)后的參數(shù)為:斗笠式刀庫,刀柄與拉釘規(guī)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(jìn)給電機(jī)經(jīng)調(diào)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(shè)備,即I/O端口的編程。具體而言,在確定端口與設(shè)備的映射關(guān)系后對地址進(jìn)行編程,將編寫好的程序傳送到調(diào)試組件(CNC中)進(jìn)行測試與調(diào)試。待程序完全符合預(yù)定的設(shè)計(jì)功能后,最終在CNC系統(tǒng)中寫入。

　　數(shù)控機(jī)床冷卻功能需要觸發(fā)冷卻電機(jī)按鍵從而實(shí)現(xiàn),按鍵行為的變化會導(dǎo)致冷卻電機(jī)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(jìn)行如下操作:M代碼選通、啟停條件設(shè)置、代碼與按鈕處理過程設(shè)置、按鈕輸入、啟動判斷、工作指示燈控制與冷卻電機(jī)輸出控制。相應(yīng)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(shí)現(xiàn)刀具刀柄拉釘?shù)乃删o刀操作。其PLC編程依次需要進(jìn)行如下操作:啟動與允許條件設(shè)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(jī)輸出控制。

　　數(shù)控機(jī)床排屑功能需要對排屑電機(jī)的雙向運(yùn)動(正反轉(zhuǎn))進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn),其PLC編程依次需要進(jìn)行如下操作:M代碼選通、啟動處理設(shè)置、正反轉(zhuǎn)處理設(shè)置、按鈕輸入、正反轉(zhuǎn)判斷、工作指示燈控制與排屑電機(jī)輸出控制。相應(yīng)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(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止與定位控制而實(shí)現(xiàn),其PLC編程依次需要進(jìn)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(yīng)答判斷及主軸控制輸出與執(zhí)行。相應(yīng)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(jìn)行啟停控制來實(shí)現(xiàn),主要用于為控制導(dǎo)軌打油,從而提高數(shù)控機(jī)床的使用壽命及工件加工精度的穩(wěn)定性。一般情況下,數(shù)控機(jī)床的潤滑功能在工作時便會自動啟動。

　　3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。通過數(shù)控機(jī)床上各類傳感裝置的數(shù)據(jù)采集,經(jīng)無線與有線網(wǎng)絡(luò)將上述數(shù)據(jù)傳給接收裝置,并進(jìn)一步傳至上位機(jī)軟件進(jìn)行處理分析與反饋控制,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的工作監(jiān)控與平穩(wěn)運(yùn)行。

　　圖7監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　本文的監(jiān)控系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能,前者可分為設(shè)備管理、設(shè)備監(jiān)控、報表查詢?nèi)齻€模塊,可用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、分析與報表輸出。后者可分為數(shù)據(jù)采集和存儲兩個模塊,可用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與采集。

　　為了滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時性與分類存儲需求,本文在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床基本信息表、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息表(如表1所示)、歷史運(yùn)行狀態(tài)信息表與報警信息匯總表。

　　借助C#語言與C/S運(yùn)行模式,本文對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與實(shí)現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備管理功能界面如圖8所示。在該界面下,可以對數(shù)控機(jī)床的信息進(jìn)行查詢與管理。通過右側(cè)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(jìn)行管理。通過查看下方設(shè)備列表欄,能夠?qū)Ω鞑考畔⑦M(jìn)行查看。

　　圖8數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備管理功能界面

　　數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控功能界面如圖9所示。在該界面下,可以通過設(shè)備ID的點(diǎn)擊,查詢所需監(jiān)控部件的運(yùn)行狀態(tài)。通過輸入如起始時間、設(shè)備ID等信息,也可以查詢到與輸入相關(guān)的部件信息。

　　圖9數(shù)控機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)控功能界面

　　本文將上述數(shù)控系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)在機(jī)床上進(jìn)行整合、試車與運(yùn)行測試。加工復(fù)雜工件(包括圓、菱形、矩形等面的組合)測試結(jié)果,如表2所示。易知,本文數(shù)控系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能符合預(yù)期,改造后的數(shù)控機(jī)床工作可靠、穩(wěn)定,能夠正確完成設(shè)定的72h持續(xù)循環(huán)任務(wù)。且加工復(fù)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(shù)控機(jī)床還預(yù)留了眾多外接接口,為自動化生產(chǎn)能力的進(jìn)一步升級留出了空間。

　　4、結(jié)束語

　　針對現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床更換與升級成本較高的問題,本文借助PLC編程技術(shù)與電路、機(jī)械改造技術(shù),設(shè)計(jì)了一套用于現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床自動化生產(chǎn)功能升級的數(shù)控及配套監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在機(jī)械與電路改造的基礎(chǔ)上,利用PLC編程實(shí)現(xiàn)排屑、冷卻、刀具控制等功能。試車與測試運(yùn)行結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定地工作,在提高加工精度、豐富自動化生產(chǎn)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(shù)控機(jī)床的PLC編程及自動化生產(chǎn)能力。

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