1、前言
我厂DU1909组合镗床是加工汽车汽缸体缸孔的主要设备，属80年代初期产品，巳使用十多年。该机床是依靠近23只中间继电器，17个液压电磁阀，5只接触器和约20个控制按钮、行程开关、压力继电器等电器，通过继电器的逻辑控制来完成机床的各种加工工序。在加工过程中，联动工作可靠性差，容易发生故障，且该机床在安装调试时，厂家己对该机床的电器控制线路进行过多次修改，以致现有的电器图纸与实物严重不符，从而增加了维修工作的难度和机床停机检修时的时间。
在这十多年的使用期间，我厂的电器维护人员在对该机床进行维护时，克服图纸与实物多处不符的困难，排除了许多故障，并积累了不少维修经验。但由于机床电器元件的逐步老化，以致产生了不少新的电器故障，靠以往的经验进行维修己逐显困难，造成机床停机检修时间的不断增长，严重影响加工工件的质量和生产任务的完成。针对以上的情况，我厂决定对该机床进行电器改造，以解决因动作不可靠、维护困难而影响生产的问题。
2、控制系统简介
该机床属早期的继电器逻辑控制系统，由于其动作速度慢、可靠性差、连线复杂、定时精度不够准确、可维护性差等原因，现在的继电器逻辑控制系统将逐渐被淘汰。PLC控制系统由于体积小、功耗低、速度快、可靠性高、故障率低、维护方便、又具有较大的灵活性和可扩展性等优点，因此被广泛地应用于各种工业领域。基于上述原因，根据机床工作的要求，我厂决定采用PLC控制系统取代原继电器逻辑控制系统，对该机床进行电器技术改造。
3、工艺要求
该机床是立式双轴三工位移动工作台精加工专用组合镗床，加工缸体是六缸孔缸体。现我厂又开发生产了四缸的发动机，而该机床在加工四缸缸体时，机械方面采用了两次装夹的办法进行整改，基本满足加工的工艺要求，但在电器方面，原系统则无法进行改变，不能进行自动加工，只能靠手动一步一步的执行动作，操作繁琐且效率极低。用PLC进行改造时，利用PLC在编程方面的优点，我们用一个转换开关可方便地实现六缸机与四缸机加工的自动转换。各工艺流程叙述如下：
3.1、六缸机加工流程
六缸机加工的工艺流程如图1所示：
在初始状态下，装上加工工件，按压A3按钮，开始插销和夹紧，然后拨动转换开关XA到六缸自动位置，自动循环加工开始运行。全部加工完成后工作台又回到Ⅰ工位位置，并松开和拔销，拨动XA到调整位置，卸下工件，一个循环过程结束。再装上另一工件，下一循环重新开始。图中的横向工进和横向快退分别对应于横向出刀和退刀。另外，有关加工工艺方面的延时要求，在图中并未画出，
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在下面的图2中亦是如此，在此说明。
3.2、四缸机加工流程
四缸机加工的工艺流程如图2所示：
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与加工六缸机不同的是，在插销夹紧后，转换开关要拨在四缸自动的位置，Ⅰ工位加工完后，工作台自动移到Ⅲ工位进行加工，Ⅱ工位不加工，Ⅲ工位加工完又回到Ⅰ工位，然后自动执行松开和拔销，拨动XA到调整位置后可移动加工工件，进行对加工工件的二次装夹，再次拨动XA到四缸自动位置，同在Ⅰ工位又加工工件的另外一个缸孔，加工完后不再移动工作台而自动执行松开和拔销，拨动XA到调整位置，卸下工件，一个循环过程结束。
3.3、调整要求
无论是加工六缸机还是加工四缸机，在PLC控制程序正在运行的加工过程中，只要将转换开关XA由自动方式拨回到调整方式，正在运行的程序应立即停止运行。
手动过程以及镗头对刀、工序调整等过程应在调整方式下进行。
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4、PLC控制系统的组成
根据机床的工作原理，改造后的主要控制对象有：1台液压泵、2台进给主轴电机、14只电磁液压阀、3盏工作状态指示灯。主要控制元件有：11个控制按钮和转换开关、5个接触器和断路器的辅助接点、5个压力继电器和10个行程开关。
统计后得出该机床的输入点为28点，输出点为19点。我们选用OMRON（欧姆龙）C60P型可编程序控制器对该机床的电器控制系统进行改造，该型的PLC输入点为32点，输出点为28点，可满足该机床输入输出点数的要求。
改造后的PLC（OMRON Ｃ60P）外部I/O连接电气原理图如图3所示。
在图3中，连接输入点0000的油泵KM7触点，是使用常开触点，连接输入点0001的断路器QF5-QF7的触点，也使用串联连接的常开触点。如果都使用常闭触点如图4所示，在正常加工时，该触点全部是断开的，这时如果发生线路断路时，如在图中的a或b处断开，在该相应的输入点上却无法反映出来，程序照常运行。一旦真发生故障使图中的KM7等触点动作，由于线路断路，就无法起到故障保护的作用。
在指示灯方面，设立了一个四缸机加工过1次记忆指示灯HL3。根据四缸机加工工艺，工作台在Ⅰ工位要进行两次加工，以加工不同的缸孔。由于在加工过程中，可能会出现突然停电、人为停机和故障停机等现象，由此可能会引起操作者不知道Ⅰ工位是何种状态，即不知Ⅰ工位是否己经进行过一次加工，通过HL3指示灯可清楚的指示出Ⅰ工位的加工状态。另外，通过控制按钮A12可方便地转换Ⅰ工位的加工状态及其指示。
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5、程序编制
该机床所要编制的控制系统控制程序，除插销夹紧和松开拔销外，主要动作为镗头加工和工作台移动两大部份。镗头加工主要为顺序控制，工作台移动由于所控制的对象不同，具有分散控制的特点。因此，如何编制出结构清晰、工作效率高白的PLC应用程序，我们对此进行了有益的尝试。
5.1、工作方式的转换
该机床要求既可加工六缸缸体，又可加工四缸缸体，故需三种工作方式，即六缸自动、调整、四缸自动。在编制程序时可用两种方法实现工作方式的转变。一种是采用跳转指令（即JMP、JME指令）来实现转变，这种方法的特点是各种工作方式分开编程，编制的程序清晰明了，运行时只执行相应工作方式的指令，此外的工作方式，其指令将不执行。这样，就相应缩短了程序的扫描时间，但却占用了较多的内存单元。
另一种方法是采用指令并联的方法来实现转变，本机床控制系统的控制程序采用此方法，如图5所示，此方法的特点是，编制的程序简单扼要，相对于上一方法而言，这种方法运行程序的扫描时间将有所增加，但却使用较少的内存单元.
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5.2、镗头加工的程序编制
镗头加工的控制特点为顺序控制，其逻辑关系可用布尔代数式表示。首先根据工艺流程列出控制状态开关表，如表1所示，再由此表分析出控制对象的布尔代数表达式。
表1 镗头加工控制状态开关表
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下面以输出点0504镗头进为例分析其布尔表达式，由表1可得：
(0504)ON=1005…………………………（1）
其中1005为镗头进启动信号，为一个扫描周期的脉冲信号。
镗头进0504的停止信号由0112的行程动作产生，0112是横向刀原位，其动作时间包含了0504镗头进的全部停止时间，如果只用0112做停止信号，由于0112在镗头进过程中仍为动作状态，则无法由1005信号启动镗头进动作，因此只用0112信号作镗头进0504的停止信号显然是不够的。分析表1时可看出，0112的动作状态是由横向退刀0606的终端行程控制的，0112动作时又反过来作为0606的停止信号。众所周知，PLC控制器的操作循环是由程序扫描和I/O扫描两部分组成，在I/O扫描期间，当在输入端检查到0112信号出现时，在此期间0606还必然保持在原来状态，不可能因0112信号的出现而立即翻转，只有到达程序扫描期间时，0606输出点的工作状态才会随着0112信号的出现而被更新，可见0112和0606相与后的信号为一个扫描周期的脉冲信号。因此，完全可用0112和0606信号相与，即0112·0606信号作为0504镗头进的停止信号，这样可避免程序在运行时产生意外的误动作。我们用此方法编制程序的启动和停止信号在实际运行时，动作可靠，取得了良好的运行较果。故有：
(0504)OFF=0112·0606………………………（2）
根据（1）、（2）两式，可得：
0504=[ 0504+(0504)ON >·(0504)OFF
=(0504+1005)·(0112 +0606 )
同样,可得其它布尔代数式:
0505=(0112·0606+0505)·(0107 +0505 )
0506=(0506+1005+0110·0505)(0107 +0505 )(0108 +0504 )
0605=(0605+0109)·0111 ·0505 ·0606
0606=(0606+0111)(0112 +0606 )
再考虑到工艺上的延时要求,然后编制出镗头加工的控制程序,如图6所示。
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5.3、工作台移动的程序编制
该机床工作台移动由于其控制条件和控制对象的分散特点，在编制程序时，可根据其逻辑特性进行编程，所编制的程序如图7所示。图中只画出六缸机程序部分，四缸机和调整部分可按类似的方法编制出其PLC程序图，这里不再介绍。
其控制原理简单介绍如下：工作台的移动是通过4个电磁阀的得电状态决定的，当9DT、11DT得电时，工作台由Ⅲ工位向Ⅰ工位移动；8DT、10DT得电，则是由Ⅱ工位向Ⅲ工位移动；8DT、11DT得电，由Ⅰ工位向Ⅱ工位移动。图7中0107为镗头原位信号，1004为镗头原位脉冲信号，1005为到达Ⅱ、Ⅲ工位脉冲信号，1006为到达Ⅰ工位脉冲信号，HR0、HR1、HR2分别为在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ工位信号，此为断电保持信号。假设在Ⅰ工位加工工件时，加工完成后镗头退回到原位，由于在Ⅰ工位时HR0为ON，则1004为ON使得0603为ON，进而0600亦为ON，电磁阀8DT、11DT得电，工作台由Ⅰ工位向Ⅱ工位移动。到达Ⅱ工位后，图7中1005常闭触点的瞬时断开使得电磁阀8DT、11DT失电，至此，工作台完成了向Ⅱ工位的移动过程。工作台向Ⅰ工位和Ⅲ工位的移动亦可据此方法分析。
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5.4、Ⅰ工位加工状态记忆编制
所编制的Ⅰ工位加工状态的记忆程序如图8所示。
图中0011为四缸自动方式信号，0003为调整方式信号，1004·HR0为Ⅰ工位加工完成信号，0113为A12控制按钮，可转换Ⅰ工位的加工状态，CNT03计数器的功能是用来记忆四缸机在Ⅰ工位的加工状态，用以保证四缸机循环程序的顺序执行。
由图8可见，在四缸方式下Ⅰ工位加工完一次后，1000为ON，计数器CNT03的计数值置为1，待下一次在Ⅰ工位又加工完一次后，1000又一次ON，致使计数器CNT03复位成2的预置值，这样，通过比较计数器CNT03的计数值就可得出Ⅰ工位所处的加工状态，并由输出点0610输出到指示灯指示出来。
另外，在调整状态下，每按压按钮A12一次，CNT03的计数值就变化一次，相应地，0610的指示状态就翻转一次。
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5.5、夹紧问题的解决
该机床要求只有在夹紧完好时，才能进行镗头加工和工作台的移动，该夹紧信号0014的产生是通过压力继电器的动作而形成的，在运行调试时发现，压力继电器动作的可靠性较差，造成输入点0014信号经常瞬时失电，致使运行中的程序经常产生破坏性的误动作。解决此问题可用自锁的方法，即将0014夹紧信号的整个夹紧过程自锁，如图9所示，由1012信号作为镗头加工和工作台移动的夹紧信号满足条件，从而在电气上解决了压力继电器动作不可靠的问题。
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6、结论及使用效果
通过这次改造，我们觉得用PLC控制器对设备进行电气改造，非常方便实用，并且容易修改。一般在电气方面进行设计时，难免会出现和机械方面相矛盾的地方。如果电气控制箱一旦完成，其修改就相当困难，但是PLC却不同，它可对其控制程序随时修改，而不必进行电气线路的改动。因此在对一些老的机床设备进行电气改造时，可先进行系统和输入输出点的设计，然后进行电控箱及外围电器元器件的安装，在安装过程中再进行PLC控制程序的程序编制，从而缩短了施工周期。实践证明，对于一些电气可靠性差的机床设备用PLC进行彻底改造，是保证机床可靠运行的最有效办法，只要处理得好，就会取到事半功倍的效果。
该机床自1997年9月改造完成后，到现在已连续运行使用了将近一年，电气系统从未发生故障，可靠性相当高，彻底解决了改造前由于继电器控制可靠性差，元器件老化等原因带来的经常性故障及废品率高的问题，使该机床的加工能力得到了充分的发挥。
