傳統(tǒng)的普通鏜銑床采用繼電器一接觸器控制系統(tǒng)對其工作進(jìn)行控制，有接線復(fù)雜、故障率高、自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，并且由于其系統(tǒng)大多采用開環(huán)控制，機(jī)床發(fā)生故障時(shí)沒有檢測裝置，會對后期的機(jī)床維護(hù)診斷帶來困難。盡管一些進(jìn)口的數(shù)控鏜銑機(jī)床擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格高昂，并且目前很多企業(yè)中還存有大量的普通鏜銑機(jī)床。鑒于此，為了使普通鏜銑床擁有部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，我們對普通鏜銑床進(jìn)行數(shù)控改造。在鏜銑床控制系統(tǒng)的選擇方面，我們選擇了PLC(可編程控制器)做為系統(tǒng)的控制核心。PLC作為近幾年比較普遍采用的控制系統(tǒng)具有功能完備、組合靈活、編程方便、穩(wěn)定可靠和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)完全能夠滿足鏜銑床的系統(tǒng)控制及其工作環(huán)境的要求。但單純的PLC控制系統(tǒng)不宜實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控以及工藝參數(shù)的現(xiàn)場設(shè)置和修改，為了解決這一問題，我們選用觸摸屏作為機(jī)床設(shè)備的人機(jī)對話接口來完成對機(jī)床的輸入輸出顯示。實(shí)踐表明，PLC一觸摸屏構(gòu)成的監(jiān)視控制系統(tǒng)不僅可以替代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤輸入，而且能以圖形化的方式描繪自動(dòng)加工過程，操作者可以通過觸摸屏輸入的方式執(zhí)行設(shè)備的各項(xiàng)功能。

1 PLC-觸摸屏控制系統(tǒng)的工作原理

　　鏜銑床工作大致可分為主軸箱升降運(yùn)動(dòng)(y軸)、工作臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(曰軸)、上滑座移動(dòng)運(yùn)動(dòng)(X軸)、下滑座移動(dòng)運(yùn)動(dòng)(z軸)、鏜桿的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)(形軸)、平旋盤滑塊移動(dòng)運(yùn)動(dòng)(u軸)及主軸的旋轉(zhuǎn)，在PLC-觸摸屏控制系統(tǒng)下這些運(yùn)動(dòng)均由PLC來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

　1.1 控制系統(tǒng)的執(zhí)行

　　圖1為系統(tǒng)的工作原理圖，PLC與觸摸屏構(gòu)成的控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器模塊、進(jìn)給伺服控制模塊、主軸伺服控制模塊、測量模塊、輸入、輸出及通信模塊等組成。當(dāng)要執(zhí)行機(jī)床操作時(shí)，首先啟動(dòng)主軸箱油泵，待操作者通過觸摸屏輸入指令后，系統(tǒng)會自動(dòng)調(diào)出與觸摸屏輸人指令地址相對應(yīng)的PLC程序，PLC通過執(zhí)行梯形圖程序來控制其觸點(diǎn)，從而達(dá)到對接觸器、伺服電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、換檔電磁閥以及機(jī)床各個(gè)部件控制的目的。同時(shí)，PLc還會把光柵尺傳感器、伺服電動(dòng)機(jī)編碼器、旋轉(zhuǎn)編碼器、限位信號等一系列反映鏜銑床工作狀態(tài)的信息送回觸摸屏，用戶可以通過在觸摸屏上調(diào)整參數(shù)值來實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)床的工作狀態(tài)。而當(dāng)機(jī)床一旦發(fā)生故障，PLC還會將傳感器與編碼器等反饋的信息進(jìn)行比較來判斷其故障原因，并顯示一些重要的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自我診斷。

　　1.2 PLC-觸摸屏鏜銑床的定位系統(tǒng)

　　本PLC-觸摸屏控制系統(tǒng)在上滑座移動(dòng)運(yùn)動(dòng)(x軸)、主軸箱升降運(yùn)動(dòng)(y軸)、鏜桿移動(dòng)運(yùn)動(dòng)(形軸)這三個(gè)軸的定位方面分別加入了光柵尺位移傳感器。每當(dāng)執(zhí)行完一個(gè)操作，光柵尺會將實(shí)際的位移量以脈沖次數(shù)的形式反饋到PLC，PLC通過高速計(jì)數(shù)器記錄下反饋脈沖次數(shù)，并將接收的脈沖次數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出實(shí)際位移，然后存人到PLC的一個(gè)內(nèi)存地址中，再通過觸摸屏讀取這個(gè)地址的數(shù)值來顯示實(shí)際位移量。如果實(shí)際位移量與輸人數(shù)值發(fā)生偏差，就需要進(jìn)行調(diào)試，以此來保證機(jī)床加工的精度?？梢哉f，與傳統(tǒng)簡單編碼器定位的開環(huán)鏜銑床控制系統(tǒng)相比，由光柵尺組成的具有反饋功能的閉環(huán)定位系統(tǒng)可以帶來更高的精度。

　　1.3 PLC-觸摸屏鏜銑床的潤滑系統(tǒng)

　　本設(shè)備的潤滑主要包括下滑座導(dǎo)軌潤滑和主軸箱導(dǎo)軌潤滑兩部分，采用了集中潤滑方式，由液壓泵提供一定排量、一定壓力的潤滑油。由PLC控制打油時(shí)間和間隔時(shí)間、處理報(bào)警信號和控制換向閥等動(dòng)作，并且通過軟件將潤滑間隔時(shí)間預(yù)先設(shè)置為每1 h自動(dòng)潤滑10 s。在機(jī)床已放置很長時(shí)間未使用的情況下，在第一次啟動(dòng)機(jī)床時(shí)，通電后要先按導(dǎo)軌潤滑按鈕來進(jìn)行機(jī)床初始潤滑以保證機(jī)床正常運(yùn)行。

2 控制系統(tǒng)的硬件組成

　　根據(jù)設(shè)備的工藝要求，本控制系統(tǒng)的PLC選用了西門子S7—200系列CPU224xP，其內(nèi)部集成了14路輸入接口和10路輸出接口。2路模擬輸入點(diǎn)和l路模擬輸出點(diǎn)，2個(gè)高速脈沖輸出，2個(gè)RS485通訊／編程口，其高速計(jì)數(shù)器可以采集100 kHz的脈沖，輸出脈沖也可以達(dá)到100 kHz。由于控制系統(tǒng)中需要5路高速脈沖計(jì)數(shù)器，而所選PLC型號只有4路，為滿足接口的需求，我們使用了兩塊PLC構(gòu)成可編程邏輯控制器模塊，分別為l#PLC和2#PLC。在兩塊PLC功能分工方面，l#PLc主要負(fù)責(zé)機(jī)床進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)器、電磁離合器和換檔電磁閥，2#PLC主要負(fù)責(zé)機(jī)床主軸伺服驅(qū)動(dòng)器；在兩塊PLc之間的數(shù)據(jù)傳輸方面，1#PLC為主機(jī)，當(dāng)使用觸摸屏輸入指令時(shí)，指令通過PPI協(xié)議進(jìn)入1#PLC，經(jīng)l#PLC處理后執(zhí)行指令；而當(dāng)使用控制面板輸入指令時(shí)，指令要先進(jìn)入2#PLC，經(jīng)2撐PLc傳輸?shù)?#PLc，再由l#PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后執(zhí)行指令。這里1#PLC的Portl端口與2#PLC的Portl端口通過西門子PPI協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

　　為使系統(tǒng)具有更好的可靠性與兼容性，觸摸屏選擇了同一品牌的西門子MP277-10.4 Touch，其內(nèi)部提供了6MB的內(nèi)存空間可用于存儲數(shù)據(jù)，1個(gè)RS422／Rs485接口、2個(gè)uSB接口和1個(gè)Ethemet接口用于數(shù)據(jù)通訊。MP277的軟件系統(tǒng)使用了Windows CE5.0操作系統(tǒng)，其非易失性報(bào)警緩沖給操作和服務(wù)等人員提供了方便[6]。而與觸摸屏同為輸人設(shè)備的控制面板的外表面使用了薄膜開關(guān)作為人機(jī)接口，內(nèi)部使用自行設(shè)計(jì)的電路板進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)按鈕的處理和對應(yīng)指示燈的顯示，數(shù)據(jù)通訊時(shí)把按鍵值用RS-485接口發(fā)往設(shè)為自由口通信的2#PLc主機(jī)的Pon0端口。

　　在伺服電機(jī)部分，系統(tǒng)分別選用了廣州數(shù)控15kw主軸伺服電動(dòng)機(jī)和4.7 kw進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)這2臺伺服電動(dòng)機(jī)作為運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行單元，負(fù)責(zé)對外輸出動(dòng)力。其中15 kW主軸電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)主軸和平旋盤的旋轉(zhuǎn)；而4.7 kw進(jìn)給電動(dòng)機(jī)控制機(jī)床下滑座移動(dòng)、上滑座移動(dòng)、工作臺回轉(zhuǎn)、主軸箱升級、鏜桿移動(dòng)運(yùn)動(dòng)及平旋盤滑塊的運(yùn)動(dòng)。其具有位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制、動(dòng)態(tài)制動(dòng)、抱閘勵(lì)磁輸出、振動(dòng)抑制、伺服調(diào)整、電子齒輪、分頻輸出信號和報(bào)警記錄等功能。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用SIEMENS S7—200PLC配套的編程工具STEP 7-Micro／wIN進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、PLC程序的編制、測試、調(diào)試和文檔的處理。編程軟件主要用梯形圖編寫，程序編譯正確后用RS232下載到PLC中。

　　3.1 觸摸屏的界面設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)備工藝和控制要求，觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)采用WinCC flexble Stanrlda柑2008組態(tài)軟件。它可以為所有基于Windows CE的SIMA，I'Ic HMI設(shè)備組態(tài)。WinCC nexible與編程軟件STEP 7集成一起，控制系統(tǒng)使用統(tǒng)一的通信協(xié)議、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)一的編程組態(tài)工具。我們通過該軟件內(nèi)置的工具庫設(shè)計(jì)出機(jī)床需要使用的軟件界面。該系統(tǒng)所涉及的界面窗口主要包括1個(gè)啟動(dòng)窗口和6個(gè)功能窗口。如圖3、圖4所示，分別為觸摸屏系統(tǒng)的啟動(dòng)界面和主界面。系統(tǒng)啟動(dòng)自檢后首先進(jìn)入啟動(dòng)窗口，啟動(dòng)窗口包含時(shí)間顯示、用戶登錄信息、用戶級別、機(jī)床LoGO等一些基本數(shù)據(jù)外主體顯示的是進(jìn)入各個(gè)功能窗口的按鍵，通過點(diǎn)擊按鍵可直接進(jìn)入各個(gè)功能窗口。在主窗口中用戶可以設(shè)定工作臺移動(dòng)方向及其移動(dòng)數(shù)值、主軸箱升降方向及其升降數(shù)值、滑塊和主軸移動(dòng)方向及其移動(dòng)數(shù)值；機(jī)床高檔、低檔、空檔間的切換；機(jī)床進(jìn)給與主軸電動(dòng)機(jī)的正向、反向與停止；同時(shí)還包括系統(tǒng)的清零、輔助、快速進(jìn)給的轉(zhuǎn)速等其他功能，也是機(jī)床操作者最經(jīng)常使用的窗口。

　　除此之外系統(tǒng)還包括自動(dòng)加工窗口、管理窗口、報(bào)警窗口、參數(shù)設(shè)置窗口、調(diào)試窗口。這些都為機(jī)床的操作提供了方便。當(dāng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好這些窗口以后，通過將PC的Ethemet接口與觸摸屏的Ethemet接口通過網(wǎng)線連接，將設(shè)計(jì)好的窗口畫面從計(jì)算機(jī)傳送到觸摸屏，同時(shí)在畫面的設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，仍然可通過網(wǎng)線將觸摸屏的窗口畫面回傳到計(jì)算機(jī)再對其進(jìn)行修改。

　　3.2 兩臺PLC之問數(shù)據(jù)通訊

　　S7-200 PLC之間的PPI通信通過Pm6bus電纜分別連接到各個(gè)PLC的P0rtl上，并使用USB／PPI多主站電纜與裝有STEP 7一Micm／wIN的計(jì)算機(jī)相連，組成一個(gè)使用PPI協(xié)議的單主站通信網(wǎng)絡(luò)¨21。首先在STEP 7-Micm／win編程軟件內(nèi)設(shè)置端口，將2撐PLc設(shè)為主站，站地址為2；l#PLC設(shè)為從站，站地址為3；編程用的計(jì)算機(jī)的站地址為0。然后，用NETR和NETW指令編寫PPl通信程序，S7—200 PLC之間的PPI通信可以在主站側(cè)通過調(diào)用NETR和NETW指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，從站側(cè)不需要編寫通信程序，只需向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)提供數(shù)據(jù)或從緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)即可。本系統(tǒng)在主站側(cè)(2#PLC)，將VB500～VB509設(shè)為接收緩沖區(qū)，將VB400～VB409設(shè)為發(fā)送緩沖區(qū)；在從站側(cè)(1#PLc)，將VB507～VB516設(shè)為接收緩沖區(qū)，將VB407～VB416設(shè)為發(fā)送緩沖區(qū)。如果要調(diào)試數(shù)據(jù)，在主站側(cè)則需將要送入對方的數(shù)據(jù)存入vB400～VB409并從、，B500～VB509提取對方送來的數(shù)據(jù)；在從站側(cè)則需要將要送入對方的數(shù)據(jù)存入VB407～VB416，并從VB507～VB516提取對方送來的數(shù)據(jù)，編程時(shí)可直接使用。

4 結(jié)語

　　本系統(tǒng)利用觸摸屏和PLC成功實(shí)現(xiàn)了對普通鏜銑床的自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)運(yùn)行良好，可靠性高，操作方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了控制系統(tǒng)的需要。同時(shí)該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于其他行業(yè)設(shè)備的改造，具有較高的推廣和使用價(jià)值。