PLC在數控機床中的應用

梁雪玲 張墨詩

（1.大連三壘機器股份有限公司 ； 2.大連德邁仕精密軸有限公司，遼寧省 大連市 116052）

隨著科學技術的發展，機電產品日趨精密復雜。產品的加工精度要求越來越高，更新換代的周期也越來越短，從而促進了現代制造業的發展。數控機床是實現軍民機械制造工業現代化至關重要的加工設備，并早已成為機床市場的主流產品。而作為數控機床“大腦”的數控系統，既是決定數控機床性能和可靠性的關鍵因素，也是數控機床成本的主要組成部分。

一、數控機床與PLC的概述

（一）數控機床的組成

數控機床是數字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其它符號指令規定的程序，并將其譯碼，用計算機數字代碼表示，最終經由信息載體輸入相應的數控設備。數控機床由輸入輸出設備、CNC單元、伺服單元、驅動裝置、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量裝置組成。

（二）PLC的技術特點

PLC是可編程控制器的簡稱，它是一種可編程的存儲器，常用于內部程序的存儲，執行各種邏輯運算、順序控制、計數、定時、算術操作等面向用戶的指令，通過數字或模擬式的輸入/輸出控制各類生產過程。與傳統的控制方法相比，有獨特的優點：

1.系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造;

2.可靠性高，能在惡劣的環境中可靠地工作，具有很強的抗干擾能力;

3.適用性好，對于同一臺 PLC控制器，只要改變其中軟件，就可以實現對不同類型的控制要求;

4.PLC體積小巧，重量較輕，能耗較低，例如對于新型超小PLC，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數瓦。

（三）PLC的工作原理

PLC的工作過程分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。

1.輸入采樣階段

PLC首先掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態存入內存中各對應的輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執行階段，此時輸入影響寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內容。

2.程序執行階段

根據PLC梯形圖程序“先左后右，先上后下”掃描原則進行逐句掃描。但遇到程序跳轉指令，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。

3.輸出刷新階段

在所有指令執行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態（接通斷開）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅動外部負載。

二、PLC的信息交換

PLC數據傳輸由以下三部分來完成，（1）PLC、（2）CNC（數控系統）、（3）MT（機床），三者之間通過適當的接口進行數據連接和傳輸。其接口包括以下 4個組成成分，（1）是機床至 PLC的接口、（2）PLC至機床的接口、（3）CNC至PLC的接口、（4）PLC至CNC的接口。

（一）機床至PLC：機床的相關定義信號通過連接的Ⅰ/O端子板輸入到PLC，這部分程序，大多數可以由程序設計者依照自己的需求進行自定義使用，但也有少部分程序已由廠家定義，不能更改。

（二）PLC至機床：在這一過程中，使用者或者程序編程者可以根據自己的需要進行定義信號的含義，以此控制開關量所有輸出信號。PLC控制機床的信號通過PLC的輸出接口傳送信號到機床。

（三）CNC至PLC：這部分信息傳送可以通過CNC直接發送到PLC寄存器中。這部分信號和地址均已由生產方確定，不可以進行自由改動和增刪。M、S、T指令是指在加工程序中的三個控制指令。這三個指令通過有序的邏輯處理后，形成譯碼，完成指令的傳輸。譯碼之后送入PLC相應的寄存器中，從而使機床正常運轉并加工零件。

（四）PLC至CNC：PLC內部設置有信號寄存器。當開關量信號輸出指令信號時，該寄存器便能接收到，最終全部信號經PLC整合，發送到CNC中。同樣需要說明的是這部分信號地址與含義已固定，由生產方確定，不可以改動和增刪。

三、PLC在數控機床中的工作流程

（一）輸入處理：PLC將外部接收到的指令或數據有序的讀取，整合后將信號輸入到電路的Ⅰ/O。信號存儲在Ⅰ/O映象區中相應的位置，完成信號（數據）接收的前期工作

（二）程序執行：在此階段中，用戶可以通過之前編排的若干條具體數據指令控制PLC。PLC按照固有的信號讀取程序，從頭到尾依次讀取。

在PLC沒有開始下達跳轉的指令時，指令完全在存儲器中將會按照一定的順序排成，從第一條開始，按照順序執行已有的數據程序，直到用戶程序結束。然后根據邏輯運算的結果，進入到下一個數據的輸出處理階段。

（三）輸出處理：在數據完成輸入和執行過程后，PLC將進入進入輸出刷新階段。

四、PLC在數控機床中的控制功能

（一）對機床中控制面板的操作：運行過程中，操作面板將控制著信號發出，PLC接到信號后，隨即數控系統便對機床面板進行控制。

（二）對機床的外部開關輸入信號的操作：運行中，機床側面開關將信號輸出后，PLC接收到信號指令，系統就會按順序進行邏輯運算，最后輸出信號，便能夠精準的控制。

（三）輸出信號控制：PLC輸出信號主要經過電路中的繼電器、接觸器電磁閥。輸出信號控制刀庫、機械手和回轉工作臺，完成PLC的信號輸出過程。

（四）伺服控制：通過控制主軸和伺服驅動等一系列信號驅動裝置，以此滿足伺服驅動過程。

（五）側信號：伺服驅動裝置信號及強電柜信號，對出現問題的部分，給予相應的報警標志，同時給出相應的報警文本。

隨著經濟的不斷發展，刺激了加工工業的高速發展，數控技術是加工工業中的主流技術。而伴隨著PLC控制功能的不斷改進和完善，將有助于數控機床的加工精度的提高，加工速度的提高，有利于提高我國加工制造業的國際競爭力。

[1]馮清秀，鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2011

[2]程艷.數控機床故障診斷中PLC的應用研究[J].石家莊學院學報，2014，03