數(shù)控機(jī)床ＰＬＣ的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。隨著數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的普及漸漸成為機(jī)械行業(yè)的潮流。本文詳細(xì)分析了可編程控制器（PLC）在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用方式及其特點(diǎn)，以及PLC的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：可編程控制器； 數(shù)控機(jī)床； PLC；控制邏輯

CNC Machine Tool Design and Application of PLC

ZHANG Yao-qi

(siemens， Beijing 100102， China)

Abstract: CNC machine tools is a typical mechanical-electrical integration system. With the rapid development of numerical control technology， the popularity of CNC machine tools has become more and more machinery industry trend. In this paper， detailed analysis of the programmable logic controller (PLC) in the CNC machine tool application and its characteristics， as well as the PLC design method.

Key words: programmable controller; CNC machine tool; PLC; control logic

1 數(shù)控機(jī)床使用的PLC簡(jiǎn)介

目前，可編程控制器(PLC)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。數(shù)控機(jī)床的控制部分可分為數(shù)字控制和順序控制兩部分，數(shù)字控制部分包括對(duì)各坐標(biāo)軸位置的連續(xù)控制，而順序控制包括對(duì)主軸正/反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)/停止、換刀、卡盤夾緊和松開、冷卻、尾架、排屑等輔助動(dòng)作的控制。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用PLC代替繼電器控制來(lái)完成邏輯控制，是數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，相應(yīng)速度和可靠性大大提高。

PLC是一種數(shù)字運(yùn)送操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各類機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。

1.1 類型介紹

數(shù)控機(jī)床使用的PLC可分兩類[1]。一類是專門實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制而制造的專用型PLC，它包含在CNC中。如圖1所示。

PLC與CNC裝置之間的信號(hào)傳送在內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)，PLC與機(jī)床側(cè)通過(guò)CNC輸入/輸出電話實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送。

另一類是通用型的PLC，它不是專門為哪一中機(jī)器設(shè)計(jì)的，可廣泛使用在各種型號(hào)中。它具有完備的硬件和軟件，獨(dú)立完成CNC系統(tǒng)所要求的控制任務(wù)，如圖2所示。

1.2 PLC的作用

PLC的作用包括接收CNC發(fā)送過(guò)來(lái)的M、S、T信息、手動(dòng)/啟動(dòng)方式信息、各種使能信息等，向CNC發(fā)送M、S、T功能的應(yīng)答信息和各坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的機(jī)床參考點(diǎn)信息等。具體來(lái)說(shuō)，有以下作用：①向機(jī)床發(fā)送控制信息，主要是控制機(jī)床的執(zhí)行元件，如繼電器等；②接收來(lái)自機(jī)床的信息，主要是機(jī)床操作面板輸入信息和其上各種開關(guān)、按鈕等信息，如機(jī)床啟動(dòng)、停止、主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止、主軸狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)和伺服系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備信號(hào)等。

1.3 PLC的指令系統(tǒng)

PLC中的用戶程序是由用戶根據(jù)PLC提供的編程指令進(jìn)行編制的。目前國(guó)際上生產(chǎn)PLC的各家公司都配有自己的編程語(yǔ)言，它們各自獨(dú)立，互補(bǔ)相容。常用的編程語(yǔ)言主要有梯形圖語(yǔ)言、指令語(yǔ)言、系統(tǒng)流程圖三種[2]。

2 PLC的工作過(guò)程

在介紹數(shù)控機(jī)床中PLC設(shè)計(jì)之前，需要先解釋一下PLC的工作過(guò)程。PLC的工作過(guò)程即是CPU對(duì)用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行的過(guò)程。對(duì)用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)階段進(jìn)行。

（1）輸入采樣：以掃描方式順序讀入所有輸入信號(hào)的狀態(tài)，并將此狀態(tài)存入輸入映象寄存器中。在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段中，輸入映象寄存器中的內(nèi)容不會(huì)隨著時(shí)間信號(hào)變化而變化。

（2）程序執(zhí)行階段：程序執(zhí)行按從上到下，從左到右的順序?qū)γ織l指令進(jìn)行掃描，并從輸入映象寄存器中和輸出映象寄存器中讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，然后將運(yùn)算結(jié)果保存起來(lái)。

（3）輸出刷新：這是指在所有指令都已經(jīng)執(zhí)行完畢后，輸出映象寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

3 PLC與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床間的信息交換

相對(duì)于PLC，機(jī)床和NC就是外部。PLC與機(jī)床以及NC之間的信息交換，對(duì)于PLC的功能發(fā)揮，是非常重要的。PLC與外部的信息交換，通常有四個(gè)部分：

（1）機(jī)床側(cè)至PLC：機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)通過(guò)I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號(hào)外，絕大多數(shù)信號(hào)的含義及所配置的輸入地址，均可由PLC程序編制者或者是程序使用者自行定義。數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機(jī)床的功能和配置，對(duì)PLC程序和地址分配進(jìn)行修改。

（2）PLC至機(jī)床：PLC的控制信號(hào)通過(guò)PLC的輸出接口送到機(jī)床側(cè)，所有輸出信號(hào)的含義和輸出地址也是由PLC程序編制者或者是使用者自行定義。

（3）NC至PLC：CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信號(hào)含義和地址(開關(guān)量地址或寄存器地址) 均由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用不可改變和增刪。如數(shù)控指令的M、S、T 功能，通過(guò)CNC譯碼后直接送入PLC相應(yīng)的寄存器中。

（4）PLC至CNC:PLC 送至CNC 的信息也由開關(guān)量信號(hào)或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號(hào)地址與含義由CNC 廠家確定，PLC編程者只可使用，不可改變和增刪。

4 PLC程序設(shè)計(jì)

一般，數(shù)控設(shè)備所輸入或輸出的點(diǎn)數(shù)大多在128點(diǎn)以下，少數(shù)復(fù)雜設(shè)備在128點(diǎn)以上，故以采用小型的PLC為主。而大型數(shù)控機(jī)床、柔性制造單元(FMC)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)則需要采用中型或大型PLC。從存儲(chǔ)容量看，一般中、小型車床選用PLC的容量為1000～1500步，中小型加工中心選用的容量為1500～2000步。這里以內(nèi)裝型PLC的設(shè)計(jì)為例，介紹整個(gè)設(shè)計(jì)方法和過(guò)程。

4.1 確定PLC型號(hào)及其硬件配置

在確定PLC型號(hào)時(shí)，需要對(duì)如下的三點(diǎn)進(jìn)行正確的預(yù)測(cè)或估算：①對(duì)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算，輸入點(diǎn)事于機(jī)床被控對(duì)象有關(guān)的操作按鈕、開關(guān)、繼電器和接觸器觸電等連接的輸入信號(hào)接口，以及由機(jī)床直接連到NC的輸入信號(hào)接口，輸出點(diǎn)包括向機(jī)床的繼電器、指示燈燈輸出信號(hào)的接口；②確定用戶存儲(chǔ)容量，程序規(guī)模隨機(jī)床的復(fù)雜程度變化，設(shè)計(jì)者要根據(jù)具體任務(wù)對(duì)程序規(guī)模作出估算，并據(jù)此確定合理的存儲(chǔ)容量；③考慮所選PLC的處理時(shí)間、指令功能、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、內(nèi)部繼電器的技術(shù)規(guī)格、數(shù)量等指標(biāo)也應(yīng)對(duì)能否滿足功能要求作出估計(jì)。

4.2 制作信號(hào)接口技術(shù)文件

需要繪制的圖表包括輸入輸出信號(hào)電路原理圖、地址表和PLC數(shù)據(jù)表。其中輸入輸出信號(hào)電路原理圖應(yīng)按“電氣制圖國(guó)家標(biāo)注GB6988.1~6988.7-86”繪制，圖中內(nèi)容主要有輸入信號(hào)有關(guān)的器件名稱位置、輸出信號(hào)執(zhí)行元件名稱位置、輸入和輸出信號(hào)插座和插腳編號(hào)或連接端子編號(hào)、輸入輸出信號(hào)的接線和工作電源。

4.3 繪制梯形圖

設(shè)計(jì)者在明確控制要求和深入分析機(jī)床工作原理和動(dòng)作順序后，運(yùn)用梯形圖的邏輯設(shè)計(jì)法規(guī)則或順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行邏輯控制程序的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以從手工繪制梯形圖開始。手工繪制的梯形圖可先轉(zhuǎn)換成指令表的形式，再經(jīng)編程器寫入PLC。

4.4 程序調(diào)試

調(diào)試方法包括仿真調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩種。仿真調(diào)試，也稱模擬調(diào)試，是指在實(shí)驗(yàn)室條件下，采用特制的“仿真設(shè)備”代替機(jī)床與CNC，而與PLC和PLC編程器連接起來(lái)，對(duì)順序程序進(jìn)行的調(diào)試。仿真調(diào)試是聯(lián)機(jī)調(diào)試的一個(gè)重要步驟，它可以解決諸如機(jī)床控制面板控制、工作臺(tái)運(yùn)行、工件裝夾、主軸起停、刀庫(kù)手動(dòng)和自動(dòng)找刀、機(jī)械手換刀、工作臺(tái)分度及各機(jī)械動(dòng)作和控制邏輯的互鎖關(guān)系等各種功能的校驗(yàn)，并進(jìn)行分步動(dòng)作和循環(huán)動(dòng)作的運(yùn)行調(diào)試，以確保順序程序控制原理的正確性。聯(lián)機(jī)調(diào)試是把機(jī)床、CNC裝置包括PLC和編程器連接起來(lái)進(jìn)行的整機(jī)機(jī)電運(yùn)行調(diào)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試工作在車間現(xiàn)場(chǎng)由具有機(jī)電專業(yè)知識(shí)的多名工程技術(shù)人員協(xié)同進(jìn)行。聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，必須預(yù)先確定調(diào)試項(xiàng)目及其試驗(yàn)方法，并按先易后難，邏輯動(dòng)作的先后、安全第一的原則，逐項(xiàng)進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)。

4.5 數(shù)控加工代碼的實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)控程序已經(jīng)有ISO標(biāo)注，可以分為準(zhǔn)備(G指令)、輔助(M指令)、刀具(T指令)、主軸(S指令)、進(jìn)給(F指令)等功能。準(zhǔn)備功能G指令主要要規(guī)定刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)偏置等多種加工操作；輔助功能M指令主要控制機(jī)床強(qiáng)電部分，包括主軸換向、冷卻液開關(guān)，夾具的夾緊松開等；T指令與刀具的選擇和補(bǔ)償有關(guān)；S指令指定主軸轉(zhuǎn)速；F指令指定加工時(shí)的進(jìn)給速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的設(shè)備已由單機(jī)擴(kuò)展到CIMS(現(xiàn)代集成制造系統(tǒng))等設(shè)備。PLC已其較好的邏輯處理功能，在工業(yè)控制領(lǐng)域必將獲得更大的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 祝紅芳.熊軍.PLC及其在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2007.

收稿日期：2008-03-12

作者簡(jiǎn)介：張耀旗（1971-），男，河北邯鄲人，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。