基于PLC 的专机进给系统改造应用

倪朝阳 李彦镔 王忠峰 刘义卿 刘增玺 姜孝杰

（淄柴动力有限公司，淄博 255000）

很多老旧机床可以利用原有床身实现机床的再利用。二十世纪七八十年代生产的普通机床刚性普遍较好，完全可以通过电气部分改造和机械结构的改进重新具有使用价值，因此机床改造市场空间很大。老旧机床普遍存在跑、冒、滴、漏现象，设备故障率高，使用成本高，加工的产品质量差，导致企业缺乏竞争力，直接影响企业的产品、市场、效益、发展和生存[1]。

当前，我国的机械制造水平和发达国家相比还有较大差距，而机械行业逐步增加数控化机床占比是大势所趋。通过研究专机的传动方式和进给形式，将液压系统改造成“电机+减速机+丝杠”传动，并利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）简化机床配电箱内部的电路，按照操作者的使用习惯编写梯形图。经过多次重复试验，改造方案效果良好。

1 应用前提

1.1 液压系统

液压系统由电机、液压泵、电磁阀、换向阀、液压缸以及油箱等组成。工作台的往复运动是由液压系统控制油缸的往复运动实现的。根据加工要求，液压泵始终处在工作状态，容易造成油泵发热、油温迅速升高。油温过高和油温过低都会影响工作台的移动速度，影响加工效率。

1.2 电气结构

机床的配电箱通过控制面板上的按钮进行人工操作，依靠电箱内的接触器、继电器、定时器等原始电气部件进行驱动。机床电器元件老化，自动化程度低，很容易出现设备故障。

1.3 设备运行状态

机床原进给系统采用液压站作为工作台进给动力，机床周边经常出现油污。随着机床使用时间的增加，机床进给部分维修频率较高。此外，液压系统受季节变化影响明显。冬季油温低，夏季油温低，工作效率都会受影响。进给速度的变化会导致机床的进给量不一致，造成加工的工件表面光洁度不一致而出现超差。液压油的更换周期为3 ～4 年，且抗磨液压油更换一次的费用很高[2]。伺服电机、行星齿轮减速机等一些高精密部件的出现，完全可以将液压系统替换成伺服电机驱动。

2 应用设计过程

2.1 机械部分设计

机械部分设计是PLC 电气改造的基础。机械部分的流畅运转是电气控制的前提。机床原传动系统过于老化，单纯进行PLC 改造不能起到最佳效果。因此，在PLC 改造应用前，要对机床机械部分进行重新设计和改造。

为保障机床的加工精度，此次专机改造把工作台驱动部分设计成“伺服电机+减速机+滚珠丝杠”，拆除机床原有的液压缸、油泵等，简化机械机构，为机床PLC 改造应用提供便利。

图1为机械改造部分结构图，主要包含伺服电机、减速机、滚珠丝杠、丝母、轴承座以及前后丝杠轴承等。减速机通过法兰盘固定在设备床身上。丝杠两端的支撑底座经加工后找平，调整两端底座，将丝杠的直线度调整在0.02 mm 以内，减少丝母往复运动的阻力。

图1 机械结构改造简图

2.2 电气部分设计

电气部分设计是机床进给系统改造应用最重要、最关键的部分。根据机床原有图纸的线路图和触点对继电器线圈的控制情况，绘制相应的等效梯形电路图。在绘制梯形电路图时，要注意将并联电路中单个触点设置在电路块下方，在串联电路中单个触点要设置在电路块的右方[3]。

PLC 程序设计的方法和形式很多，要求较高。编制人员不仅要熟悉梯形图的编程语言，还要熟悉专机控制的各种顺序环节。比较复杂的控制流程，导致设计周期较长。目前，大部分PLC 编程软件可以用流程图编制，便于顺序控制系统的编程。将输入/输出（Input/Output，I/O）所有输出线圈全部一次性列在梯形图的右母线上，可有效防止双线圈输出错误。设置各个输出线圈的触发（执行）条件，将触发常开和常闭的输入点连接到左母线和线圈之间。需要具体分析触发的情况和属于多点共同触发作用时，要采用串联方式连接每个接点。多路信号都能独立触发时，要采用并联方式连接各接点[4]。最后，要根据输入接点的情况，按照专机要求的动作加入一些“自保持”程序。

2.2.1 逻辑控制程序编写步骤

第一，编写机床控制系统的逻辑代数式，同时简化逻辑。第二，进行I/O 分配，编制I/O 分配表。选择PLC 机型，绘制专机的I/O 端的接线图。第三，写出对应的PLC 控制逻辑式，需要对照检查并进行适当修改。第四，绘制对应的PLC 梯形图。第五，程序内部进行测试。第六，装载到PLC 中进行实测。

结合机床的实际输入和输出情况，本次需要的输入点为6 个，输出点为8 个。为确保机床有充足的输入点和输出点，同时为后期继续改造提供控制点，本次选择16 个I/O 点的PLC。当前，国内的PLC 发展较快，溢价率较低，性价比高，各项功能简单，易于上手，最终选择国产PLC 品牌。图2 提供了此次PLC 逻辑控制的编写样式。

图2 PLC 逻辑控制

图2只显示了PLC 逻辑控制的部分设计。PLC梯形图中的编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器以及内部辅助继电器等。每一个软继电器与PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。增加K 参数，可随时设计暂停时间和启动时间。同时，根据专机的加工特点给操作者预留足够的操作时间，以随时设置PLC 参数，降低电箱内部的结构复杂度。

图3中的K 参数代表的是机床逻辑之间的时间间隔。通过修改此参数可以控制机床的暂停时间，使一个软继电器可以代替一个时间继电器硬件。Y000 代表伺服驱动器的脉冲信号，Y001 代表工作台的运动方向，这两个信号的改变可以代替液压换向阀的使用[5]。

图3 PLC 内部参数修改

2.2.2 PLC 程序测试、修改

PLC 程序的测试上传需要用到数据线和计算机。用数据线将PLC 硬件和计算机相连接，通过查看计算机连接口设置PLC 的连接接口。计算机COM 号和编程软件COM 号设置相同，是通信成功的关键。设置方式如图4 和图5 所示。

图4 计算机COM 号

图5 编程软件COM 号

连接完成后需进行程序的上传测试。PLC 上传或者下载时要注意保存源文件，避免错误操作导致源文件丢失。程序下载入口如图6 所示。

图6 程序下载入口

PLC 程序的上传测试是整个方案应用设计工作中的一项重要内容，可以初步检查程序的实际效果。程序上传测试和程序的编写是分不开的。程序的很多功能需要在最后的实际专机测试中通过修改完善。

编写梯形图时需要注意，PLC 模块中输入的距离以毫米为单位，伺服驱动器根据脉冲数量控制电机的运转速度。PLC 控制伺服电机的定位精度最高为0.001 mm，远高于纯机械传动的机床定位。PLC 定位模块控制和伺服驱动系统组成的控制系统属于半闭环控制系统，稳定性很高。

3 应用成果

3.1 减少了占用面积

此次改造去掉液压站、油泵以及油管，使机床占用面积减小了2 m2，同时增加了机床的基本功能。

3.2 降低了能源消耗

伺服电机相比于液压站油缸来说，机床能耗降低了20%，解决了机床的跑、冒、滴、漏问题，节能又环保。

3.3 提高了生产效率

伺服电机通过伺服驱动器控制，在改变进给量的同时不会降低扭矩，同时完全可以控制加工节拍，在满足加工表面质量的同时提高生产效率。机床加工节拍从30 min/件提高至20 min/件，时间缩短了1/3。

3.4 减少了后期维护

机床的逻辑控制省去了电箱内部的很多控制元件，简化了线路，降低了故障率，同时便于维修人员后期维修。

4 结语

随着智能制造的不断发展，机床的智能化应用会大大推动自动化与网络技术的密切结合。制造业正处于由大变强的进程中，PLC 技术将大有可为。专机PLC 改造技术应用的过程中，机床运行平稳，为提高零部件加工产量打下了基础，既节省了费用，又提高了生产效率。