基于PLC的数控机床自动化生产技术研究
摘要：针对当前数控机床配套系统的升级成本高、耗时长的问题,文中分析了数控机床的现状,基于PLC编程与电路、机械改造等技术设计了一套数控及监控系统。该系统在改造工作台、主轴、控制电路等基础上,利用PLC编程、C#语言和Socket编程,实现了排屑、冷却、刀具控制、设备监控、设备管理等现代化数字功能。经试车与运行测试分析结果表明,该系统能够可靠、稳定运行,加工精度可以达到±0.04mm,在有效提高加工精度的同时并未耗费过多的时长。因此,文中所提出的设计方案为数控机床的PLC编程及自动化生产功能的拓展提供了有效的技术支持。
本文源自信息技术,2020,44(08):74-78.《信息技术》(月刊)创刊于1977年，是由中国电子信息产业发展研究院、黑龙江省信息技术学会主办;主管部门黑龙江省信息产业厅;由黑龙江移动通信公司、黑龙江省诚信建设促进会、黑龙江省软件行业协会、黑龙江省农业信息中心、黑龙江省农垦通信有限公司等单位协办。办刊宗旨是：大力宣传国家信息基础建设和信息产业发展形式，深入报导国内外信息技术(产品)发展趋势，交流信息化建设经验，推介信息产业界精英。
自动化技术作为科技发展的重要成果之一,推动着工业化的生产方式从人工逐渐转向了自动化与智能化,被广泛应用于军事、工业等领域[1,2]。在各类自动化装置中,数控机床发挥着重要作用,其搭载的数控系统能够根据事先设定的程序,高效地加工各类精密、复杂的零件,而这些都是人工或半自动生产模式难以做到的[3,4]。此外,数控机床还大幅解放了劳动力,在保证效率与精准度的同时,有效提高生产的安全性[5]。
然而,数控机床与相应的配套数控系统具有较快的迭代速度,且需要持续性的维护与更新[6,7]。老旧的数控机床虽能够在一定时间内保持较好的加工性能,但逐渐难以满足日益发展的生产需求。若重新购买数控机床与配套系统,则所需的资金投入大,且为企业带来较大的生产与盈利压力[8,9]。
1、技术分析
1.1 PLC技术
PLC技术借助可编程控制器,能够控制嵌入式设备按照事先写入与编程的软件程序进行控制输出。其具有高效、精准、扩展能力强等特点,能够有效提高数控机床的控制准确性与精度,从而延长使用寿命,增加控制功能的丰富性[10]。
1.2 机械改造技术
针对数控机床的升级需要机械改造技术的支持,主要针对刀具架、工作台、滑座等部件进行改造与升级。在工作台的改造过程中,需要注意满足控制功能的升级安装需求,也需要保留手动控制开关用于特殊情况下的人工接入,从而保证数控机床的稳定、可靠运行。在刀架改造过程中,需要注意控刀方式,使用合适的刀架为控刀的实时性与准确性提供支持。在护栏改造的过程中,需要注意数控机床改造后较高的运行速度带来的防护需要,保证机床的正常运行及工作人员的安全操作。
1.3 电路改造技术
针对数控机床的升级通常以电路改造技术为核心,主要包括电路接口、伺服电机及控制开关的改造[11]。其中,伺服电机改造通常是由于工艺或精度需要而对伺服电机的位置与数量进行改变。电路接口改造则是因为需要引入各种不同的设备或需要更改的控制功能。而数控机床的信号输出需要借助电路接口而实现,因此需要根据升级的不同功能设计或定义不同的电路接口。控制开关改造通常是因为机床陈旧而对其精准加工产生较大的影响,即需要在改造过程中使用新式控制开关替换老旧的开关设备,从而避免产生难以预知的生产错误。
1.4 监控系统的开发与实现
监控系统是数控机床运行的重要保障,由软硬件组成,可借助传感器技术对机床运行过程中的振动、温度等参数进行获取与监控。借助无线与有线相关网络技术,可对监控数据进行传送。
监控系统的配套软件开发,主要使用网络编程、嵌入式编程及.NET开发技术[12,13,14]。其中,网络编程主要使用Socket编程技术,借助套接字与端口等网络控制方法对网络通信进行控制,并按照数据实时性要求选择TCP或UDP方式。嵌入式编程主要使用嵌入式C语言,该语言具有较高的开发与资源使用效率及快速的运行速度,从而符合数控机床监控系统的运行需求。.NET开发则使用C#技术的Winform模式,借助成熟的开发模型与丰富的功能函数可以高效地开发出运行速度快、安全、可靠的上位机系统。
2、系统需求分析
本文数控机床的型号为VMC850E,该机床的配置为:4轴联动、24输出/32输入的I/O点数、4+1轴控制、可离线/在线编辑的梯形图、0.1μm的最小指令单位、真彩色TFT显示屏、插板式结构。此外,该机床具备各项补偿功能(刀具半径补偿、反向间隙补偿、刀具长度补偿等),能够在加减速情况下完成S曲线/直线的加工操作。其支持自动锁紧(分度轴),支持如刚性攻丝、钻、铰等循环功能以及小线段加工等功能。
为了满足刀具调整、冷却、液压等后续需要升级的功能,该数控机床配套的系统需要满足多轴联动(X,Y,Z三轴甚至四轴)、32输出/64输入的I/O点数、脉冲/模拟/总线的轴控制方式、CPU板卡内嵌、轴控制接口(USB、网络、本机和外部I/O)集成、总线式的I/O扩展、PLC离线/在线编程、高速PLC(3us/step)内嵌等功能。
为了匹配上述功能,需要对工作台负荷、最大行程(滑座和主油箱)进行重新设计,对包括电机功率、转速、传动方式等在内的主轴参数进行重新设计,对刀具型号与相应的进给速度进行重新确定与匹配。由于PLC编程需要对刀具、润滑、液压、排屑进行控制,从而实现刀具正反转与松紧控制、排屑数量与时间控制、液压压力大小与开始时间控制等功能。因此,PLC编程需要对地址映射进行确定。此外,数控机床电路需要针对伺服电机的调整进行重新设计,以满足各类设备的工作与控制需求。监控系统需要对立杆、主轴等部件温度进行监测,从而根据实际情况控制机床执行诸如停机、加润滑油、报警等操作。同时通过无线网络进行数据采集、传输与记录,从而完成数据的记录、分析、处理、查询与报表生成。
3、系统设计方案和实现
3.1 数控系统设计与实现
本文数控系统的组成结构,如图1所示。其中上位机软件主要为监控系统,用于分析、显示与处理下位机上传的数据,并根据工作人员需求进行命令下发控制。下位机软件主要用于采集传感器数据,并根据打包规则进行封装和传输。下位机硬件主要包括:温度传感器(DS18B20)、振动传感器(ADXL345)和接收装置(W5300以太网芯片和CC2430无线通信芯片)。数据库则使用SQLServer2008以满足数据采集与存储的实时性需求[15,16]。
图1本文数控系统组成结构示意图
本文的电路改造主要针对控制电路与外部I/O电路进行改造和升级。在控制电路改造中,主要借助接触器实现冷却与排屑电机的外部控制。冷却电机的控制电路改造示意图如图2(a)所示。通过对PLC输出点的接触器控制完成电机的冷却液抽取,从而挥发掉因加工工件与刀具摩擦生成的热量。排屑电机的控制电路改造示意图如图2(b)所示。通过对PLC输出点的接触器控制完成双向电机上铰笼/拖链的运动排屑,从而避免夹屑带来的加工精度下降的问题。
图2冷却电机与排屑电机的控制电路改造示意图
在外部I/O电路改造过程中,主要通过重新连接与定义接口来实现输入输出接口的改造。输入接口改造示意图如图3(a)所示,图中的X4.2、X3.5与X3.3主要用于冷却电机的信号输入,而X4.3主要用于排屑电机的信号输入。输出接口改造示意图如图3(b)所示,图中的Y2.4与Y2.3主要用于排屑电机的反正转信号输出,而Y2.2主要用于冷却电机的信号输出。
图3外部I/O电路输入接口与输出接口改造示意图
本文的机械改造主要针对工作台、刀具和主轴进行设计与安装。为了满足刀具与电机的调整,文中工作台经重新设计后的参数为:承重1.2t,尺寸为1200mm×600mm,X、Y、Z轴方向的最大行程为900mm、600mm与550mm,T型槽尺寸为20mm×5mm。主轴调整后的参数为:皮带式传动,锥孔为BT40型,输出扭矩最大为36.2N·m,转速为60～8500r/min。刀具库经重新设计后的参数为:斗笠式刀库,刀柄与拉钉规格为MAS403,容量为20把,最大刀具重量与长度分别为7.5kg、260mm,换刀时间为6.5s。进给电机经调整后的速度为0.5～12000mm/min,X、Y、Z轴方向的最快移动速度为25mm/min。
本文的PLC编程主要涉及上述控制设备,即I/O端口的编程。具体而言,在确定端口与设备的映射关系后对地址进行编程,将编写好的程序传送到调试组件(CNC中)进行测试与调试。待程序完全符合预定的设计功能后,最终在CNC系统中写入。
数控机床冷却功能需要触发冷却电机按键从而实现,按键行为的变化会导致冷却电机的启停及工作指示灯的变化。冷却功能的PLC编程依次需要进行如下操作:M代码选通、启停条件设置、代码与按钮处理过程设置、按钮输入、启动判断、工作指示灯控制与冷却电机输出控制。相应核心部分的梯形图如图4所示。
图4冷却功能的PLC编程核心部分梯形图
液压站功能主要用于刀具的松夹控制,通过活塞、拉杆与拉爪的控制实现刀具刀柄拉钉的松紧刀操作。其PLC编程依次需要进行如下操作:启动与允许条件设置、按钮输入、助力启动条件与换刀模式判断、工作指示灯控制及液压电机输出控制。
数控机床排屑功能需要对排屑电机的双向运动(正反转)进行控制从而实现,其PLC编程依次需要进行如下操作:M代码选通、启动处理设置、正反转处理设置、按钮输入、正反转判断、工作指示灯控制与排屑电机输出控制。相应的核心部分梯形图如图5所示。
图5排屑功能的PLC编程核心部分梯形图
刀具控制功能需要对刀具主轴进行正反转、停止与定位控制而实现,其PLC编程依次需要进行如下操作:M代码选通、刀具启停与条件判断、主轴启动与控制输出、主轴停止、停止应答判断及主轴控制输出与执行。相应的核心部分梯形图如图6所示。
图6刀具控制功能的PLC编程核心部分梯形图
润滑功能的控制需要对润滑泵进行启停控制来实现,主要用于为控制导轨打油,从而提高数控机床的使用寿命及工件加工精度的稳定性。一般情况下,数控机床的润滑功能在工作时便会自动启动。
3.2 监控系统的设计与实现
本文的监控系统结构示意图如图7所示。通过数控机床上各类传感装置的数据采集,经无线与有线网络将上述数据传给接收装置,并进一步传至上位机软件进行处理分析与反馈控制,从而实现数控机床的工作监控与平稳运行。
图7监控系统结构示意图
本文的监控系统主要包含数据采集与数据处理功能,前者可分为设备管理、设备监控、报表查询三个模块,可用于实现数据的查询、分析与报表输出。后者可分为数据采集和存储两个模块,可用于实现数据的通信与采集。
为了满足监控系统的实时性与分类存储需求,本文在数据库中设计了数控机床基本信息表、当前运行状态信息表(如表1所示)、历史运行状态信息表与报警信息汇总表。
借助C#语言与C/S运行模式,本文对监控系统进行开发与实现。数控机床监控系统设备管理功能界面如图8所示。在该界面下,可以对数控机床的信息进行查询与管理。通过右侧一列按钮的操作,可以对丝杆、主轴、床身等部件的基本信息进行管理。通过查看下方设备列表栏,能够对各部件信息进行查看。
图8数控机床监控系统设备管理功能界面
数控机床监控系统设备监控功能界面如图9所示。在该界面下,可以通过设备ID的点击,查询所需监控部件的运行状态。通过输入如起始时间、设备ID等信息,也可以查询到与输入相关的部件信息。
图9数控机床监控系统设备监控功能界面
本文将上述数控系统与监控系统在机床上进行整合、试车与运行测试。加工复杂工件(包括圆、菱形、矩形等面的组合)测试结果,如表2所示。易知,本文数控系统与监控系统的各项功能符合预期,改造后的数控机床工作可靠、稳定,能够正确完成设定的72h持续循环任务。且加工复杂工件的误差仅为±0.04mm,而加工工件的时间仅比改造前多了10%。此外,改造后的数控机床还预留了众多外接接口,为自动化生产能力的进一步升级留出了空间。
4、结束语
针对现有的数控机床更换与升级成本较高的问题,本文借助PLC编程技术与电路、机械改造技术,设计了一套用于现有数控机床自动化生产功能升级的数控及配套监控系统。该系统在机械与电路改造的基础上,利用PLC编程实现排屑、冷却、刀具控制等功能。试车与测试运行结果表明,该系统能够可靠、稳定地工作,在提高加工精度、丰富自动化生产功能的同时并未大幅增加工件加工的时间。因此,能够提高数控机床的PLC编程及自动化生产能力。
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