1 前言

　　活塞作為內燃機中的關鍵部件。其外圓形線越來越復雜。對活塞外形的加工精度要求越來越高，為此我們研制了活塞雙軸硬靠模仿形機床，電氣控制系統采用可編程序控制器和經濟型數控系統聯合實現控制。使經濟型數控系統具備了高檔數控系統的PMC功能．可編程序控制器與經濟型數控系統相互配合實現對設備的工藝動作控制。具有成本低、編程調試方便、易維護、易操作的特點。

2 工作原理

　　該設備由電氣系統、液壓與氣動、床身、主軸部分、滑臺、前刀架、后刀架、硬靠模、尾座部分組成，設備結構示意圖如圖1所示。

　　設備電氣系統主要執行部件有主軸電機、主軸定位電機、主軸制動器、滑臺伺服電機、液壓電磁鐵和氣動電磁鐵、潤滑電機、液壓電機、顯示部分等。設備的后刀架、尾座、工件夾緊、換刀、前刀架靠模機構抬起與落下、吹掃、冷卻、外圓加工橫向微進退刀等工藝動作由液壓或氣動實現，電磁鐵動作如表1所示，另外冷卻和吹掃電磁鐵為YVll、YVl3、YVl4、YVl5，前刀架的縱向移動由伺服機構實現。主軸電機低速和高速分別用于活塞外圓的粗加工和精加工，伺服機構帶動前刀架縱向左右移動，實現活塞外圓仿形加工的縱向進給動作；主軸低速時，對活塞外圓進行粗加工。同時后刀架完成活塞仿形車削端面和頭部倒角；粗加工完畢，主軸變為高速，伺服系統帶動前刀架左移，完成活塞外圓的精加工；在活塞外圓加工過程中。要求在活塞裙部和環岸部分界線實現自動換刀，金剛刀位于刀架下部．用于活塞裙部外圓加工，合金刀位于刀架上部，用于活塞環岸部外圓加工。主軸定位電機和制動器實現主軸的準確定位停止。工藝要求設備具有手動狀態和自動狀態，手動狀態用于調整機床各部分動作，確定工藝位置，更換工裝，手動加工工件，另外當故障停機后，能手動調整機床的基本位置；自動狀態時，控制系統能夠按工藝實現活塞外圓仿形加工、仿形車削端面和頭部倒角功能；另外在設備工作過程中，出現故障和急停信號時，能自動停機和發出報警信號。

3 硬件設計

　　根據系統工作原理和工藝要求，設計硬件電路，順序動作控制采用PLC實現，數控系統實現對伺服機構的控制，為了節約PLC的I/O節點，液壓電機不經過PLC控制,PLC只采集液壓電機的故障信息，液壓電機故障時,PLC進行故障報警處理，實現停機并顯示故障信息，其它執行部件均由PLC和數控系統進行控制，實現相應的工藝動作和人機交互。PLC選擇OMRON CPM2A-6UCDR-A型，兩個110擴展單元為CPM1A-2OEDR型,PLC主單元與擴展單元為繼電器輸出型;數控系統選擇廣州數控設備廠的具有宏程序功能的GSK98QI型車床數控系統。PLC主單元控制電路原理如圖2所示，PLC擴展單元控制電路原理如圖3所示，數控系統電路原理如圖4所示。

圖2 PLC主單元控制電路原理圖

圖3 PLC擴展單元控制電路原理圖

圖4數控系統電路和原理圖

　　該控制系統以PLC作為控制核心，數控系統作為PLC控制系統的一個執行機構部件。P1.C控制系統有54個信號輸人點，包括系統的手動/自動一切換、手動運行、循環起動和停止、故障、行程開關、數控系統和伺服系統通知PLC及電源接通的信號等，這些信號送入PLC進行邏輯運算和處理PLC控制系統有36個信號輸出點，實現對執行部件的控制、系統狀態顯示及PLC對數控系統信息傳遞;PLC輸出回路除顯示信號外，均通過HH54P型直流中間繼電器實現對執行機構的控制，并加人二極管續流回路，可保護PLC輸出回路作用。

　　數控系統電路由GSK980T型數控系統、DA98型伺服驅動器、交流伺服電機、編碼器和電源等構成。系統用z軸實現前刀架的縱向定位運動，采用數控程序實現運動位移的數字控制，定位準確，無需行程開關檢測工藝位置，可靠性高，并且運動位置可以直觀顯示，方便觀察和控制。數控系統除標準操作面板外，在設備操作面板上還設有限位解除、急停、進給保持按鈕。數控系統急停與PLC急停為同一個自鎖型蘑菇頭按鈕．以便在緊急狀態下，使數控系統和PLC系統同時緊急停止。數控系統還有z軸參考點開關，每次加工完畢，系統返回參考點。

　　PLC和數控系統之間交互信息通過各自I／O口傳遞．PLC到數控系統的信號有：PLC循環起動信號、自動循環期間防止數控系統由面板誤起動信號、PLC通知數控系統進給保持信號、PLC通知數控系統工件夾緊信號等。數控系統和伺服驅動器到PLC的信號有：NC準備好、伺服準備好、粗車完裙部、粗車完環岸部、精車完環岸部、糖車完裙部等信號。交互信息是PI E和數控系統協調工作的基礎．雙方通過交互信息可以知道對方的工作狀態及對方要求進行的動作，得到交互信號后，通過邏輯處理產生合理的處理信號，完成工藝要求的動作，并能夠防止撞車事故的發生。

4 軟件設計

　　系統軟件包括PLC控制程序和數控系統程序，PLC控制程序實現系統的總體協調、順序動作控制，數控系統程序實現前刀架的縱向左右定移動、執行PLC的控制命令及發出數控系統狀態信息等，PLC控制程序流程圖如圖5所示，數控系統程序流程圖如圖6所示。在自動狀態下，系統處于原位(即前刀架零位、后刀架后退位置、主軸定向定位、金剛刀在下、尾座在右等，這些狀態均有開關檢測并輸入PLC)、沒有故障、伺服和數控系統準備好及工件夾緊的情況下，PLC控制系統才能夠起動自動循環：否則應手動調整或排除故障。自動循環起動后，前刀架和后刀架同時起動，仿形加工活塞外圓和仿形加工活塞端面及頭部倒角。活塞裙部粗加工完后，要等待后刀架加工完畢后退到原位后，系統才能夠起動活塞環岸部外圓加工．防止前、后刀架相互干涉、發生事故。

　　PLC發出的命令通過GSK980T型數控系統輸入接口賦值給其內部所對應的宏變量，相應宏變量作為PLC要求數控系統執行相應動作的條件，數控系統程序利用宏程序的條件轉移語句對相應動作條件進行判斷，以確定是否可以執行相應動作，條件滿足則執行相應動作，否則進行等待，這樣可以使數控系統接受PLC的控制，PLC可以協調系統按工藝運行。

5 結束語

　　作者采用PLC和經濟型數控系統聯合實現了對活塞仿形機床的電氣控制，提出了一種PLC與經濟型數控系統協調工作的解決方案，該方案提升了PLC和經濟數控系統的整體性能。本文作者創新點：作者采用PLC和經濟型數控系統聯合實現了對活塞仿形機床的電氣控制，提出了一種PLC與經濟型數控系統協調工作的解決方案。并給出了PLC控制系統和數控系統的硬件、軟件設計的完整方案，該方案提升了PLC和經濟數控系統的整體性能。