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    數控機床主要是為特殊工件、特殊加工進行設計的一種高精度自動化的加工設備，此類設備可同時多刀工作，并具有自動循環功能。數控機床的動力部分大多采用電機驅動或液壓驅動，采用電氣系統進行自動控制，是電機和電液的自動化設備。本文所設計的數控機床控制系統采用PLC代替了傳統的繼電器控制完成自動控制，從而使機床控制結構更加緊湊，功能豐富，提升了可靠性和響應速度。

    組合機床是隨著機械工業的不斷發展，由通用機床、專用機床發展起來的。通用機床一般用一把刀具進行加工，自動化程度低、輔助時間長、生產效率低，但通用機床能夠重新調整，以適應加工對象的變化。專用機床可以實現的多刀切削，自動化程度較高，結構較簡單，生產效率也較高。但是，專用機床的設計，制造周期長，造價高，工作可靠性也較差。專用機床是針對某工件的一定工序設計的，      當產品進行改進，工件的結構，尺寸稍有變化時，它就不能繼續使用。在綜合了通用機床、專用機床優點的基礎上產生了組合機床。組合機床通常由標準通用部件和加工專用部件組合構成，動力部件采用電動機驅動或采用液壓系統驅動，由電氣系統進行工作自動循環的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動加工設備。

    隨著科學技術的發展，生產工藝不斷提出新的要求，機床電氣控制裝置也不斷更新。在控制方法上主要從手動控制到自動控制；在控制功能上，是從簡單到復雜；在操作上由笨重到輕松，從控制原理上，由單一的有觸點硬接線繼電器控制系統轉為以微處理器為中心的軟件控制系統。在上世紀的20年代到30年代，借助繼電器、接觸器、按鈕和行程開關等組成繼電器-接觸器控制系統，實現對機床的啟動、停車、有級調速等控制。目前，在我國繼電器接觸器控制仍然是機床和其它機械設備最基本的電氣控制形式之一。電子計算機控制系統的出現提高了電氣控制的靈活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。因而60年代出現了一種能夠根據需要，方便改變控制系統，而又要比計算機系統結構簡單，價格低廉的自動化裝置——順序控制器，它能通過組合邏輯元件插接或變成來實現繼電器-接觸器控制線路功能的裝置，也能滿足成組經常改變的控制要求，使控制系統具有較大的靈活性和通用性，但它還是使用硬件手段，裝置體積大，功能也受到了一定的限制。

    隨著大規模集成電路和微處理機技術的發展和應用，上述控制技術也發生了根本變化。在70年代出現了用軟件手段來實現各種控制功能：以微處理器為核心的新興工業控制器——可編程程序控制器（PLC），它完全能夠適應惡劣的工業環境，且由于兼備了計算機控制和繼電器-接觸器控制兩方面的優點，故目前世界各國將其作為一種標準化通用設備普遍應用于工業控制。

PLC機型選擇

    選擇合理PLC的型號，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標起著重要作用。選擇機型的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠，維護使用方便以及最佳功能價格比。

（1）結構選擇

PLC主要有整體式和模塊式。

整體式PLC：整體式PLC的每一個點的平均價格比模塊式的便宜，且體積相對小，一般用于系統工藝過程較為固定，環境條件較好，維修量較小的小型控制系統中。

模塊式PLC：模塊式PLC功能擴展靈活方便。在點數上，輸入點數，輸出點數的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復雜的控制系統。

對于組合機床，選用整體式PLC較好。

（2）I/O點選取原則

    PLC平均的I/O點價格比較高，因此應該合理選用PLC的I/O點數量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點最少，但必須留有一定余量。通常I/O點數是根據被控制對象的輸入輸出信號的實際需要，再加上10%-20%的余量來確定。

    由PLC組成的四工位組合機床控制系統有輸入信號42個，均為開關量。其中檢測元件17個，按鈕開關24個，選擇開關1個。

電控制系統有輸出信號27個，其中電磁閥16個，六臺電動機的接觸器和5個指示燈。根據I/O點數的選取原則考慮10%-20%的I/O點數余量輸入點數可選取46-50個輸出點數可選取29-33個。

（3）確定PLC機型及擴展模塊

    根據（1）（2）及實際PLC機型點數，選用FX2N-64MR主機和一個16點的輸入擴展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點（32+16）。輸出點就是主機的32。足夠可以滿足42個輸入，27個輸出的要求，而且留有一定余量。

輸入輸出信號分配

    輸入輸出信號地址表是將輸入輸出列成表，給出相應的地址和名稱，以備軟件編程和系統調試時使用的一種表。由本設計可知控制電路中的按鈕，行程開關，檢測元件等觸點都屬于PLC的輸入設備，PLC的輸出控制對象主要是控制電路中的執行元件，本設計主要是接觸器，電磁閥，指示燈。根據電控系統的輸入輸出信號表可知系統包括：

（1）輸入元件數量

行程開關12個

按鈕24個

選擇開關1個

檢測元件5個

（2）輸出元件數量

電磁閥16個

接觸器6個

指示燈5個

根據本設計選用的PLC機型，將輸入輸出元件分配到PLC的輸入輸出接口，所給的輸入輸出元件見表1。

表1輸入輸出信號地址表

PLC控制系統電氣原理圖

    I/O接口圖它反映的是PLC輸入輸出模塊與現場設備的連接。PLC的輸入點大部分是共點式，即所有輸入點具有一個公共端COM。I/O電氣接口圖如圖1。

圖1I/O電氣接口圖

設計PLC控制系統操作面板

    控制系統的操作面板是向PLC控制系統發布控制命令的主令元件組合而成的。本設計中，輸入元件共42個其中按鈕SB24個、檢測元件YJ5個、行程開關SQ12個，選擇開關1個，基于對機床工作方式的控制要求，面板上應設有選擇開關1SA、預停按鈕；鑒于手動調整方式下，相應按鈕發出控制命令，驅動組合機床相應部件運動，因此面板上應設相應按鈕5SB-24SB，鑒于對組合機床的啟動，停止及潤滑故障的處理控制，應在操作制面板上設有啟動按鈕2SB、總停按鈕1SB、潤滑故障切除按鈕4SB、其他輸入元件均為檢測元件，不在操作面板中設置，由上面綜述，可得控制系統操作面板如下圖2所示。

圖2控制系統操作面板圖

PLC控制系統軟件設計

    根據本設計的控制與工藝要求，按機床的動作順序及每步所完成的任務，可得工作循環流程。

1、PLC控制系統初始化梯形圖程序

    初始化程序主要用來處理組合機床的各種號，如啟動、預停、總停以及各種的原始信號，機床啟動前應具備的各種初始信號，工作方式選擇信號，各種復位信號，并將處理結果作為機床啟動、停止、程序轉換的依據，初始化程序一般用經驗法設計。根據控制要求，采用STL指令，來定義相應的工作方式，手動，自動，利用預停按鈕來控制全自動與半自動工作狀態的切換，并利用定時器設定了潤滑電動機間歇時間，初始化程序見下圖3。

圖3設計PLC控制系統初始化梯形圖程序

2、PLC控制系統手動及顯示梯形圖程序設計

本設計的手動程序與顯示程序均為用經驗法設計的梯形圖。

手動程序：主要在調整和檢修時使用。

為了對滑臺的進退、上料器的進退、夾具的加緊松開等進行調整與控制，設計了相應的手動程序，設計手動程序時應注意互鎖的設計。

顯示程序：根據機床的工作狀態，驅動相應指示燈顯示。如手動及顯示梯形圖程序圖4。

圖4PLC控制系統手動及顯示梯形圖程序

3、設計PLC控制系統狀態轉移圖與梯形圖程序

狀態轉移圖，它是完整地描述控制系統的工作過程，功能和特性的一種圖形，是分析和設計電路系統控制程序的重要工具。本設計的狀態轉移圖按下列幾步進行的。

1按組合機床的控制要求與加工工藝畫出狀態轉移圖。

2在畫出的狀態轉移圖上以PLC輸入點或其他元件定義狀態轉換條件。

3按照電控系統提供的電氣執行元件功能表，在狀態流程圖上對每個狀態和動作命令配畫上實現該狀態或動作命令的控制功能的電氣執行元件，并以對應的PLC輸出點的編號定義這些電氣執行元件。

由狀態轉移圖易的相應的梯形圖程序，它們二者是一一對應關系，梯形圖程序請見圖5。

圖5PLC控制系統梯形圖程序

結論

    PLC作為新一代的工業控制裝置，具有開發柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強等特點，用它來控制四工位組合機床這樣復雜的生產設備，是理想的選擇。PLC的采用，降低了機床的故障率，節省了大量的維修費用，提高了整機的可靠性，保證了工件的精度要求。