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

    組合機床是隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，由通用機床、專用機床發(fā)展起來的。通用機床一般用一把刀具進行加工，自動化程度低、輔助時間長、生產(chǎn)效率低，但通用機床能夠重新調(diào)整，以適應(yīng)加工對象的變化。專用機床可以實現(xiàn)的多刀切削，自動化程度較高，結(jié)構(gòu)較簡單，生產(chǎn)效率也較高。但是，專用機床的設(shè)計，制造周期長，造價高，工作可靠性也較差。專用機床是針對某工件的一定工序設(shè)計的，      當產(chǎn)品進行改進，工件的結(jié)構(gòu)，尺寸稍有變化時，它就不能繼續(xù)使用。在綜合了通用機床、專用機床優(yōu)點的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了組合機床。組合機床通常由標準通用部件和加工專用部件組合構(gòu)成，動力部件采用電動機驅(qū)動或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，由電氣系統(tǒng)進行工作自動循環(huán)的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動加工設(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，機床電氣控制裝置也不斷更新。在控制方法上主要從手動控制到自動控制；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)，實現(xiàn)對機床的啟動、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床和其它機械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。電子計算機控制系統(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)，而又要比計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉的自動化裝置——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)淞擞嬎銠C控制和繼電器-接觸器控制兩方面的優(yōu)點，故目前世界各國將其作為一種標準化通用設(shè)備普遍應(yīng)用于工業(yè)控制。

PLC機型選擇

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

（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的每一個點的平均價格比模塊式的便宜，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功能擴展靈活方便。在點數(shù)上，輸入點數(shù)，輸出點數(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)。

對于組合機床，選用整體式PLC較好。

（2）I/O點選取原則

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

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

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

（3）確定PLC機型及擴展模塊

    根據(jù)（1）（2）及實際PLC機型點數(shù)，選用FX2N-64MR主機和一個16點的輸入擴展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點（32+16）。輸出點就是主機的32。足夠可以滿足42個輸入，27個輸出的要求，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)試時使用的一種表。由本設(shè)計可知控制電路中的按鈕，行程開關(guān)，檢測元件等觸點都屬于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

按鈕24個

選擇開關(guān)1個

檢測元件5個

（2）輸出元件數(shù)量

電磁閥16個

接觸器6個

指示燈5個

根據(jù)本設(shè)計選用的PLC機型，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的輸入點大部分是共點式，即所有輸入點具有一個公共端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)計中，輸入元件共42個其中按鈕SB24個、檢測元件YJ5個、行程開關(guān)SQ12個，選擇開關(guān)1個，基于對機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；鑒于手動調(diào)整方式下，相應(yīng)按鈕發(fā)出控制命令，驅(qū)動組合機床相應(yīng)部件運動，因此面板上應(yīng)設(shè)相應(yīng)按鈕5SB-24SB，鑒于對組合機床的啟動，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

    根據(jù)本設(shè)計的控制與工藝要求，按機床的動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床的各種號，如啟動、預(yù)停、總停以及各種的原始信號，機床啟動前應(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)果作為機床啟動、停止、程序轉(zhuǎn)換的依據(jù)，初始化程序一般用經(jīng)驗法設(shè)計。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，自動，利用預(yù)停按鈕來控制全自動與半自動工作狀態(tài)的切換，并利用定時器設(shè)定了潤滑電動機間歇時間，初始化程序見下圖3。

圖3設(shè)計PLC控制系統(tǒng)初始化梯形圖程序

2、PLC控制系統(tǒng)手動及顯示梯形圖程序設(shè)計

本設(shè)計的手動程序與顯示程序均為用經(jīng)驗法設(shè)計的梯形圖。

手動程序：主要在調(diào)整和檢修時使用。

為了對滑臺的進退、上料器的進退、夾具的加緊松開等進行調(diào)整與控制，設(shè)計了相應(yīng)的手動程序，設(shè)計手動程序時應(yīng)注意互鎖的設(shè)計。

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

圖4PLC控制系統(tǒng)手動及顯示梯形圖程序

3、設(shè)計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)計電路系統(tǒng)控制程序的重要工具。本設(shè)計的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖按下列幾步進行的。

1按組合機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)流程圖上對每個狀態(tài)和動作命令配畫上實現(xiàn)該狀態(tài)或動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，抗干擾性強等特點，用它來控制四工位組合機床這樣復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，是理想的選擇。PLC的采用，降低了機床的故障率，節(jié)省了大量的維修費用，提高了整機的可靠性，保證了工件的精度要求。