PLC控制编程优化机床精度

PLC的应用在机床数控行业十分重要，它是实现机电一体化的重要工具，也是机械工业技术进步的强大支柱。下面以钻床精度控制为例来介绍PLC在机床数控中的应用编程。

钻床主要由进给电动机M₁、切削电动机M₂、进给丝杆、上限位行程开关SQ₁、下限位行程开关SQ₂、旋转编码器和光电开关等组成。钻床的结构示意图如图4-43所示。

1.确定编程任务

该钻床控制系统的控制要求是：M₁转动，通过进给丝杆传动，使M₂和钻头产生位移，M₁正转为进刀，反转为退刀。SQ₁、SQ₂之间的距离即为钻头的移动范围，并且SQ₂提供下限位的超行程安全保护。安装于进给丝杆末端的旋转编码器MD是将进给丝杆的进给转数转换成电脉冲数的元件，可对进给量即钻头移动距离进行精确控制。光电开关SPH是钻头的检测元件，从SPH光轴线至工件表面的距离称为位移值，工件上的钻孔深度称为孔深值，位移值和孔深值之和就是脉冲数的控制值。如进给丝杆的螺距为10mm，MD的转盘每转一周产生1000个脉冲，可知对应于1个脉冲的进给量就是10/1000＝0.01mm。如果要求孔深为15.75mm，又已知工件表面至SPH光轴线的距离为10mm，那么将控制值设为（15.75＋10）/0.01＝2575个脉冲数就可以了。可见钻孔的深度可控制在0.01mm的精度内。该钻床的工作方式除了自动控制功能外，还要求设置手动控制环节，以便进行调整，或在PLC故障时改用手动操作。其控制时序图如图4-44所示。

图4-43 钻床的结构示意图

图4-44 钻床的控制时序图

可结合时序图分析其控制系统的具体操作步骤：

1）按下起动按钮，正转接触器KM₃接通，进给电动机M₁正向起动，钻头下降，进刀，MD开始产生脉冲。

2）在SPH检测到钻头尖的瞬间，便有导通信号输出，使切削电动机M₂起动，同时，PLC内部计数器开始计数。

3）当统计出的脉冲数达到了所需要的“控制值”对应的设定值时，KM₃断电，M₁停转，进刀结束。

4）正、反转用的KM₃和KM₄经过延时电气互锁切换后，KM₄接通，M₁反向起动后退，钻头上升退刀。

5）上升至钻头尖脱离SPH光轴线的瞬间，SPH的输出截止，KM₂断电，M₂停转。

6）上升过程中碰到上限位行程开关SQ₁时，SQ₁动作，KM₄断电，M₁停转，自动钻削过程结束。

手动时由相应的手动按钮对KM₂、KM₃、KM₄进行点动控制。同时为了便于“运行准备”的操作，设置了“运行准备”指示灯，电源的引入使用电源接触器KM₁。在紧急情况下，只需操作“紧急停止”按钮就可以便PLC控制系统切除电源。

2.确定外围I/O设备

在此系统中，因手动控制只是要求点动控制，且只在PLC故障时使用，故这里将手动控制按钮直接与负载相连，不再经过PLC。需要接入PLC的输入设备和输出设备如下。

1）输入设备。旋转编码器MD、起动按钮SB₃、上限位行程开关SQ₁、光电开关SPH、电动机继电器KM₂、KM₃、KM₄反馈信号开关。

2）输出设备。电动机M₁、M₂的继电器线圈KM₂、KM₃、KM₄，起动异常信号灯HL。

由此可以看出，接入PLC的输入信号为7个，输出信号为4个。(https://www.xing528.com)

3.选定PLC的型号

选用的PLC为德国西门子公司的S7-200系列小形PLC-CPU224。

4.进行PLC输入/输出地址分配

PLC的输入/输出地址分配见表4-10。输入/输出分配中有切削电动机KM₂反馈信号开关、进给电动机正转KM₃反馈信号开关、进给电动机反转KM₄反馈信号开关，设置这三者主要是利用接触器常开辅助触点作为反馈信号接入PLC的输入端，一旦电动机过载热继电器动作而使其复位时，使PLC及时停止输出。

5.PLC的外部接线图

PLC控制的外部接线图如图4-45所示。图中画出了手动控制环节，手动控制直接接到负载侧，不与PLC相连。隔离变压器是用来消除电噪声的侵入，提高系统的可靠性。输出回路中在接触器线圈接入的RC回路，是为了防止感性负载对PLC输出元件的不良影响而设置的。KM₃的输出回路中串接SQ₂的目的是在出现超行程进给时，由SQ₂直接切断KM₃，强制电动机M₁停转。电动机正、反转KM₃和KM₄之间设置了硬互锁环节。

表4-10 PLC输入/输出地址分配

图4-45 PLC控制的外部接线图

6.钻床精度的PLC控制编程

这里以切削电动机M₂的控制为例来介绍PLC编程。首先考虑的是切削电动机M₂的起动条件，当上限位行程开关SQ₁动作、光电开关检测到钻头时，切削电动机M₂才能起动，否则不能起动。在这段程序中，还进行了钻头检测标志M₀的设定和设置切削电动机M₂的自锁。

其次需要考虑的是进刀过程动作和退刀过程动作。进刀过程中，在光电开关检测到钻头尖的瞬间，就会通过I0.3向切削电动机M₂发出起动命令，在这里还没定了反馈信号I0.4的固有动作滞后时间、输入信号的响应滞后时间，为了保证Q0.0自锁前提条件下的I0.4触点可靠闭合，设置了定时器T33，强制延长了切削电动机M₂起动信号的闭合时间。退刀时，钻头尖离开光开关的光轴线时，I0.3复位，Q0.0停止输出，切削电动机M₂停转。

钻床精度的PLC控制程序见表4-11。

表4-11 钻床精度的PLC控制程序

（续）

（续）