摘要：镗床是一种精密加工机床, 主要用于加工精确的孔和孔间距离要求较为精确的零件。卧式镗床具有万能特点。本文可采用可编程控制器(PLC) 对卧式镗床控制系统进行改造，提高工作效率。
关键词：可编程序控制器（PLC）；继电器； 镗床；控制
引言：中小型企业使用的是传统继电接触控制的卧式镗床。由于继电接触控制的电路复杂, 动作速度慢, 可靠性差, 故障诊断与排除困难等缺点, 使得企业的生产效率低下、效益差。随着电气控制方式发展，对控制方式的改进显得势在必行。
1 绪论
1.1 PLC在镗床电气控制系统中应用的现实意义
镗床是一种精密加工机床, 主要用于加工精确的孔和孔间距离要求较为精确的零件。卧式镗床具有万能特点，他不但能完成孔加工, 而且还能完成车削端面及内外圆、铣削平面等。目前, 中小型企业使用的是传统继电- 接触控制的卧式镗床。由于继电接触控制的电路复杂, 动作速度慢, 可靠性差, 故障诊断与排除困难等缺点, 使得这些企业的生产效率低下、效益差。可采用可编程控制器(PLC) 对卧式镗床进行改造
根据原有的继电器控制电路图来设计PLC控制梯形图，以实现卧式镗床的PLC控制改造。这种方法没有改变系统的外部特性，但却克服了机械动作时中间继电器可靠性低、维修困难等缺点。对于操作人员来说，除了控制系统的可靠性提高以外，改造前后对系统的操作没有什么区别，它们不用改变长期形成的操作习惯。这种设计方法一般不需要改动控制面板和它上面的器件，因此可以减少硬件改造的费用和工作量。
1.2镗床的类型和发展趋势。
镗床可分为卧式镗床、立式镗床、坐标镗床、金刚镗床和专门化镗床，以卧式镗床使用为最多。
1.2.1卧式镗床
特点：卧式镗床是镗床中应用最广泛的一种。它主要是孔加工，镗孔精度可达IT7，表面粗糙度Ra值为1.6-0.8um。卧式镗床的主参数为主轴直径。
1.2.2坐标镗床
特点：坐标镗床是高精度机床的一种。它的结构特点是有坐标位置的精密测量装置。坐标镗床可分为单柱式坐标镗床、双柱式坐标镗床和卧式坐标镗床。
单柱式坐标镗床：主轴带动刀具作旋转主运动，主轴套筒沿轴向作进给运动。特点：结构简单，操作方便，非凡适宜加工板状零件的精密孔，但它的刚性较差，所以这种结构只适用于中小型坐标镗床。
双柱式坐标镗床：主轴上安装刀具作主运动，工件安装在工作台上随工作台沿床身导轨作纵向直线移动。它的刚性较好，目前大型坐标镗床都采用这种结构。双柱式坐标镗床的主参数为工作台面宽度。
卧式坐标镗床：工作台能在水平面内做旋转运动，进给运动可以由工作台纵向移动或主轴轴向移动来实现，它的加工精度较高。
1.2.3金刚镗床
特点：金刚镗床是以很小的进给量和很高的切削速度进行加工因
而加工的工件具有较高的尺寸精度（IT6），表面粗糙度可达到0.2微米。镗床的发展历史及发展趋势:
镗床被称为“机械之母”。 镗床最早的设计者——达芬奇，这位传奇式的人物，可能就是最早用于金属加工的镗床的设计者。他设计的镗床是以水力或脚踏板作为动力，镗削的工具紧贴着工件旋转，工件则固定在用起重机带动的移动台上。1540年，另一位画家画了一幅《火工术》的画，也有同样的镗床图，那时的镗床专门用来对中空铸件进行精加工。
到了17世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大炮的炮筒成了人们亟需解决的一大难题。世界上第一台真正的镗床是1775年由威尔金森发明的。其实，确切地说，威尔金森的镗床是一种能够精密地加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗杆，两端都安装在轴承上。
如果说没有蒸汽机的话，当时就不可能出现第一次工业革命的浪潮。而蒸汽机自身的发展和应用，除了必要的社会机遇之外，技术上的一些前提条件也是不可忽视的，因为制造蒸汽机的零部件，远不像木匠削木头那么容易，要把金属制成一些特殊形状，而且加工的精度要求又高，没有相应的技术设备是做不到的。比如说，制造蒸汽机的汽缸和活塞，活塞制造过程中所要求的外径的精度，可以从外面边量尺寸边进行切削，但要满足汽缸内径的精度要求，采用一般加工方法就不容易做到了。为此，斯密顿在卡伦铁工厂制作了一台切削汽缸内圆用的特殊机床。用水车作动力驱动的这种镗床，在其长轴的前端安装上刀具，这种刀具可以在汽缸内转动，以此就可以加工其内圆。
当时用镗床做出直径为72英寸的汽缸，误差不超过六便士硬币的厚度。用现代技术衡量，这是个很大的误差，但在当时的条件下，能达到这个水平，已经是很不简单了。因此，镗床为瓦特的蒸汽机做出了重要贡献。
在以后的几十年间，人们对威尔金森的镗床作了许多改进。1885年，英国的赫顿制造了工作台升降式镗床，这已成为了现代镗床的雏型。
二十世纪初，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距误差较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。现在的镗床大多已采用数字控制系统实现坐标定位和加工过程自动化。
1.3本课题研究的内容和主要工作
本课题研究的是基于PLC在T68镗床电气控制系统中的应用。
它的控制要求如下：
1.3.1主轴旋转与进给量都有较宽的调速范围，主运动与进给运动由一台电动机拖动，为简化传动机构采用双速笼型异步电动机。
1.3.2由于各种进给运动都有正反不同方向的运转，故主电动机要求正、反转。
1.3.3为满足调整工作需要，主电动机应能实现正、反转的点动控制。
1.3.4保证主轴停车迅速、准确，主电动机应有制动停车环节。
1.3.5主轴变速与进给变速可在主电动机停车或运转时进行。为便于变速时齿轮啮合，应有变速低速冲动过程。
1.3.6为缩短辅助时间，各进给方向均能快速移动，配有快速移动电动机拖动，采用快速电动机正、反转的点动控制方式。
2 系统硬件设计
2.1可编程控制器定义和硬件组成
国际电工委员（IEC）在1987年2月颁发的可编程控制器标准草案的第三稿中将PLC定义为：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储和执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
硬件组成：从可编程控制器的定义可知，PLC也是一种计算机，它有着通用计算机相类似的结构，即可编程控制器也是由中央处理器（CPU）、存储器（Memory）、输入/输出（I/O）接口及电源组成。只不过它比一般的通用计算机具有更强的与工业过程相连的接口和更直接的适应控制要求的编程语言。PLC的基本结构如图2-1：
由于PLC的中央处理器是由通用微处理器单片机或位片式计算机组成的，且具有各种功能的I/O接口及存储器，所以也可将PLC的结构用微型计算机控制系统常用的单总线结构形式来表示，如图2-2所示：
2.2可编程控制器的工作原理
PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始工作时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成个输入点的状态采集或数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新、及CPU自检等功能。
PLC扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行，这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次，执行一次，也因为在一个大控制系统中，需要处理的I/O点数较多。通过不同的组织模块的安排，采用分时分批扫描执行的方法，可缩断扫描周期和提高控制的实时相应性。
PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少外界干扰的影响。PLC的工作过程分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。如图2-3所示：
2.3系统硬件分析
T68镗床电气控制系统的PLC工作过程包括：启动、M1正反转控制、M1反接制动控制、M1高低速转换控制等功能。在实现控制过程中，各种采样信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，再经信息线路反馈给T68镗床各控制执行机构，决定其工作状态。如图所示，由PLC控制T68镗床各种动作典型的系统控制图所示:
由图可知，PLC在系统中是处中心位置，它控制着T68镗床电动机M1的正转、反转，M1的高、低转换，M1的反接制动和对电动机M2的控制。通过克服了机械动作时中间继电器可靠性低、维修困难等缺点。对于操作人员来说，除了控制系统的可靠性提高以外，改造前后对系统的操作没有什么区别，它们不用改变长期形成的操作习惯。这种设计方法一般不需要改动控制面板和它上面的器件，因此可以减少硬件改造的费用和工作量。所以利用PLC作为T68镗床的控制系统是可行的。
2.4通道分配及I/O接线图
根据上面分析可以得出I/O通道分配表。如表2-1所示：
2.5 PLC机型选择
PLC:是一种用作数字控制的专用电子计算机。它根据用户给的指令，通过输人接口，现场采样信息执行逻辑或数值运算，再通过输出接口去控制各种执行机构动作，它和单片机一样，主要有CPU、存储器、I/O接口模板三部分。它是整体模块形式，因此由它作为T68镗床控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对系统结构图的分析，可知T68镗床电气控制系统采用三菱的FX2N-48MR型。如I/O通道分配表2-1所示。
3. 系统软件设计
3.1可编程控制器的软件及编程语言
可编程控制器的软件可分为系统程序和用户程序。
3.1.1系统程序：
所谓可编程控制器的系统程序就是PLC的系统监控程序，用于控制可编程控制器本身的运行，一般来说，系统软件对用户是不透明的。
系统监控程序通常可分为三个部分：
（1）系统管理程序
他控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。
（2）用户指令解释程序
通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。
（3）标准程序模块和系统调用
他包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序。
3.1.2 用户程序
可编程控制器的应用软件是指用户根据自己的控制要求编写的用户程序。可以分为梯形图、指令语句表、逻辑功能图、顺序功能图。也有的PLC用高级语言，如BASIC，C语言等。
3.2系统软件分析
根据工艺流程图用基本逻辑指令编程：
3.2.1 M1正反、转控制（所有X/Y、M/T需要重新编号、时间重新排）
PLC内部继电器M101和M102作为正反转控制的辅助继电器，为了保证正反转切换的可靠，用PLC内部时间继电器T0和T1，完成0.5秒的转换延时。如图3-1所示：
3.2.2 高、低速转换控制
SQ为高、低速选择开关，操作手柄推向高速位时，SQ被压动，内部输入继电器X5得电动作，经过内部时间继电器T4延时后，其动断触点将低速接触器KM6断电；其动合触点将高速接触器KM7、KM8通电，将电动机M1接成YY高速运行。如图3-3所示：
4 结论
PLC对T68镗床的控制改造。这种方法没有改变系统的外部特性，但却克服了机械动作时中间继电器可靠性低、维修困难等缺点。对于操作人员来说，除了控制系统的可靠性提高以外，改造前后对系统的操作没有什么区别，它们不用改变长期形成的操作习惯。这种设计方法一般不需要改动控制面板和它上面的器件，因此可以减少硬件改造的费用和工作量，值得推广。
参考文献：
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[2]马海峰.PLC在卧式镗床控制中的应用.《电气开关》（2002No.2）
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[4]焦振学.机床电气控制技术.北京理工大学出版社出版，1996.
[5]熊幸明.机床电路原理与维修.北京：人民邮政出版社，2001.
论文作者:姜向峰
论文发表刊物:《中国电业》2019年10期
论文发表时间:2019/11/1
标签：镗床论文; 卧式论文; 坐标论文; 系统论文; 程序论文; 加工论文; 电动机论文; 《中国电业》2019年10期论文;