基于PLC的钻床精度控制系统程序设计实例

    PLC的应用在机械数控行业十分重要，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。这里以钻床精度控制为例来介绍PLC在机械数控行业中的应用。    钻床主要由进给电机M1、切削电机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组成。钻床的结构示意图如图7-27所示。
    图7-27    钻床的结构示意图    1．确定设计任务书    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，Ml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7-28所示。    结合时序图分析其控制系统的具体操作步骤。    (1)按下启动按钮，正转接触器KM3接通，进给电机M1正向启动，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，使切削电机M2启动，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经过延时电弧互锁切换后，KM4接通，M1反向启动后退，钻头上升退刀。    (5)上升至钻头尖离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。
    图7-28    控制时序图    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”按钮就可以使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，这里将手动控制按钮直接与负载相连，不再经过PLC。所以需接入PLC的输入设备和输出设备如下。    (1)输入设备：旋转编码器MD、启动按钮SB3、上限位行程开关SQ1、光电开关SPH、电机继电器KM2、KM3、KM4反馈信号开关。    (2)输出设备：电机M1、M2的继电器线圈KM2、KM3、KM4，启动异常信号灯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。    3．选定PLC的型号    选用的PLC是西门子公司的S7-200系列小型PLC-CPU224。    4．编制输入／输出分配表    输入／输出分配见表7-8。输入／输出分配中有切削电机KM2反馈信号开关、进给电机正转KM3反馈信号开关、进给电机反转KM4反馈信号开关，设置这三者主要是利用接触器动合辅助触点作为反馈信号接入PLC的输入端，一旦电机过载热继电器动作而使其复位时，使PLC及时停止输出。    表7-8    输入／输出分配表
    5．PLC外部接线图    PLC的外部接线图如图7-29所示。图中画出了手动控制环节，手动控制直接接到负载侧，与PLC不相连。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，强制电机M1停转。电机正、反转KM3和KM4之间设置了硬互锁环节。    6．程序设计    这里以切削电机M2的控制为例来介绍程序设计。首先考虑的是切削电机M2的启动条件，当上限位行程开关SQ1动作，光电开关检测到钻头时，切削电机M2才能启动，否则不能启动。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向切削电机M2发出启动命令，在这里还设定了反馈信号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接点可靠闭合，设置了定时器T33，强制延长了切削电机M2启动信号的闭合时间。退刀时，钻头尖离开光电开关的光轴线时，I0.3复位，Q0.0停止输出，切削电机M2停转。程序见表7-9。
    图7-29    PLC的外部接线图    表7-9    钻床精度控制程序