立式加工中心控制系統(tǒng)研究

桑會(huì)慶+王曉璐

摘 要：機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，編制簡潔、明了、準(zhǔn)確的PLC程序是保證機(jī)床加工性能、精度和方便使用機(jī)床的重要環(huán)節(jié)。實(shí)踐中，PLC編程及調(diào)試要在了解數(shù)控系統(tǒng)PLC運(yùn)行特點(diǎn)、編程規(guī)則的基礎(chǔ)上，一方面依據(jù)電路設(shè)計(jì)時(shí)完成的I/O點(diǎn)的分配狀況；另一方面依據(jù)用戶的操作習(xí)慣完成PLC程序設(shè)計(jì)并進(jìn)行程序調(diào)試。本文總結(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；過程中PLC編程；調(diào)試方法。

關(guān)鍵詞：PLC數(shù)控系統(tǒng)

1.PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

PLC采用的是典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU、RAM、RAD和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量-PLC-輸出變量組成，外部的各種開關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測的各種信號(hào)均作為PLC的輸入變量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，他們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。這里可將PLC看作一個(gè)中間處理器或變換器，以將輸入變量變換為輸出變量。

PLC控制系統(tǒng)組成：

（1）輸入部分：如按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、壓力檢測開關(guān)、液位報(bào)警開關(guān)、溫度檢測開關(guān)等，直接與PLC輸入端子相連接，用以產(chǎn)生輸入控制信號(hào)，這些信號(hào)來自操作臺(tái)上的人工指令。

（2）控制部分：反復(fù)執(zhí)行根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際控制要求所編制的用戶程序，并產(chǎn)生各種輸出控制信號(hào)。

（3）輸出部分：如接觸器、電磁閥、三色報(bào)警、驅(qū)動(dòng)使能、控制使能等，它們直接與PLC輸出端子相連接，用以控制被控對(duì)象的動(dòng)作。

PLC工作過程分三段進(jìn)行：

（1）輸入處理：PLC以重復(fù)掃描方式執(zhí)行用戶程序，在執(zhí)行程序前首先按地址編碼順序?qū)⑺休斎攵俗拥耐〝酄顟B(tài)（輸入信號(hào)）讀入輸入映象寄存器中，然后開始執(zhí)行用戶程序，在執(zhí)行過程中，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才重新讀取輸入狀態(tài)。

（2）程序控制：在程序執(zhí)行階段，PLC順序掃描用戶程序，每執(zhí)行一條程序所需要的信息都從輸入映象寄存器和其他內(nèi)部寄存器中讀出并參與計(jì)算，然后將執(zhí)行結(jié)果寫入有關(guān)輸出映象寄存器中。

（3）輸出處理；當(dāng)全部指令執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)全部傳送到輸出鎖存寄存器中，構(gòu)成PLC的實(shí)際輸出并有輸出端子送出。

2.PLC與CNC機(jī)床的連接方式

CNC數(shù)控系統(tǒng)的控制信號(hào)有兩類。一類是高速信號(hào)，主要用于各個(gè)坐標(biāo)軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)；另一類是低速信號(hào)，主要用于控制主軸電機(jī)的正、反運(yùn)轉(zhuǎn)、接觸器、電磁閥的通斷等開關(guān)量。

目前，立式加工中心PLC的形式有兩種：一種是采用單獨(dú)完成PLC功能，即配有專門的PLC，PLC在CPU外部稱為外裝PLC，如西門子的802Dsl系統(tǒng)；另一種是采用數(shù)控系統(tǒng)與PLC合用一個(gè)CPU的方法，PLC在CPU內(nèi)部稱內(nèi)裝型PLC。立式數(shù)控車床的控制系統(tǒng)采用的是802Dsl，即采用的是外裝型PLC?？删幊炭刂破髋cCNC機(jī)床的聯(lián)接方式本質(zhì)上是外電路聯(lián)接方法，通過CNC數(shù)控系統(tǒng)I/O口發(fā)出控制指令，使可編程控制器輸入端無觸點(diǎn)開關(guān)通斷，通為“1”；斷為“O”，完成可編程控制器對(duì)機(jī)床強(qiáng)電的邏輯控制。

2.1 PLC輸入輸出端與機(jī)床面板信號(hào)連接

立式數(shù)控車床的操作面板有27個(gè)自定義鍵。機(jī)床操作面板的背后的兩個(gè)50芯扁平電纜插座，可通過扁平電纜與PP72/48模塊的插座連接。結(jié)合該機(jī)床控制操作的自身特點(diǎn)要求，在機(jī)床面板上定義了一些操作鍵，完全能夠滿足機(jī)床控制的基本要求。CNC立式加工中心操作面板上有按鈕、旋鈕開關(guān)、和指示燈等（見圖2.1），按鈕、旋鈕開關(guān)等直接與可編程控制器的輸入端接線柱相連，指示燈接線直接與PLC輸出端接線柱相連，指示燈的亮暗取決于相應(yīng)的PLC輸入端的開關(guān)狀態(tài)及固化在PCROM卡中的梯形圖程序。

機(jī)床面板各鍵定義如下：

#1：油泵啟動(dòng)#2：油泵停止#3：主軸I擋#4：主軸II擋#5：動(dòng)潤滑#6：沖刷冷卻#7：增量選擇#8：JOG運(yùn)行方式#9：回參考點(diǎn)#10：自動(dòng)方式#11：單段運(yùn)行#12：手動(dòng)輸入#13：主軸正點(diǎn)#14：主軸停止#15：主軸反點(diǎn)#16：正向排屑#17：+X#18：負(fù)向排屑#19：+Z#20：快速#21：-Z#22：空#23：-X#24：空#25：復(fù)位#26：NC停止#27：NC啟動(dòng)右側(cè)從上到下分別：急停按鈕、主軸倍率開關(guān)、進(jìn)倍率開關(guān)。

2.2 PLC輸出端與機(jī)床強(qiáng)電信號(hào)連接

PLC在CNC機(jī)床中的主要作用是控制強(qiáng)電部分，如：主控電源、伺服電源、刀架電機(jī)正反轉(zhuǎn)、排屑器電機(jī)正反轉(zhuǎn)、主軸風(fēng)扇、潤滑電機(jī)、冷卻電機(jī)、冰箱控制等。由于流過強(qiáng)電電路的電流很大，在PLC輸出端都接有保護(hù)用繼電器。在每一個(gè)交流線圈兩側(cè)并聯(lián)阻容電路以吸收由于線圈通斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流。為了提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性，在接觸器線圈電路中加有互鎖保護(hù)觸點(diǎn)。同理，每個(gè)電機(jī)的運(yùn)行程序控制邏輯都固化在PCROM卡中，受機(jī)床操作面板開關(guān)和數(shù)控系統(tǒng)軟件的控制。

2.3 PLC輸入端與CNC機(jī)床數(shù)控裝置I/O口的聯(lián)接

可編程控制器輸出端的通斷是由其輸入端通斷狀態(tài)及梯形圖程序決定的，CNC機(jī)床數(shù)控裝置與可編程控制器的聯(lián)接是通過軟開關(guān)直接控制PLC輸入端的通斷，以決定PLC輸出端的狀態(tài)。CNC機(jī)床數(shù)控裝置I/O門與PLC輸入端的聯(lián)接，從數(shù)控裝置I/O口的信息流向分析，可以分為兩種情況：一是數(shù)控裝置從I/O口輸出指令，控制PLC完成相應(yīng)的動(dòng)作：另一種是檢測PLC輸入口的開關(guān)狀態(tài)，數(shù)控裝置的I/O口是輸入信號(hào)，數(shù)控裝置根據(jù)輸入信號(hào)的性質(zhì)做出相應(yīng)的控制。

3.PLC調(diào)試

首先利用準(zhǔn)備好的“802Dsl調(diào)試電纜”將計(jì)算機(jī)和802Dsl的COMl連接起來：802DsI

必須進(jìn)入聯(lián)機(jī)方式：系統(tǒng)——PLC——STEP7連接——設(shè)定通訊參數(shù)——擁有一個(gè)編譯無誤的PLC程序，然后才能利用PLC編程工具軟件將該應(yīng)用程序下載到802Dsl中；下載成功后，需要啟動(dòng)PLC應(yīng)用程序；可利用監(jiān)控梯圖的狀態(tài)；（不包括局部變量L的狀態(tài)）；可利用監(jiān)控內(nèi)部地址的狀態(tài)；還可利用“交叉應(yīng)用表”來檢查是否有地址沖突；聯(lián)機(jī)調(diào)試的檢驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)視床類型的不同而不同。

對(duì)立式數(shù)控車床進(jìn)行PLC程序聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，調(diào)試項(xiàng)目主要包括：

機(jī)床運(yùn)行電氣安全措施：急停按鈕功能、進(jìn)給軸正/負(fù)方向超程保護(hù)、超程釋放功能、指示燈報(bào)警及報(bào)警復(fù)位、停止運(yùn)行控制：

NC工作方式檢驗(yàn)：手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（MDI）方式、自動(dòng)（AUTO）方式、編輯（EDIT）方式、手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給（JOG）方式、手輪（HANDLE）方式；

與程序運(yùn)行有關(guān)的NC狀態(tài)檢驗(yàn)：循環(huán)起動(dòng)、進(jìn)給保持、單程序段、程序段跳過、機(jī)床鎖住、輔助功能鎖住、主軸進(jìn)給倍率選擇、手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給倍率選擇、手輪倍率選擇、快速移動(dòng)及快速倍率選擇？指令代碼譯碼控制檢驗(yàn)：M、S、T代碼譯碼控制；

主軸系統(tǒng)控制性能檢驗(yàn)：主軸手動(dòng)起/停及正反轉(zhuǎn)控制、主軸自動(dòng)起/停及正反轉(zhuǎn)控制、主軸轉(zhuǎn)速倍率選擇、主軸準(zhǔn)停控制、刀具的夾緊/松開及其指示燈顯示控制；

液壓系統(tǒng)控制檢驗(yàn)：液壓泵電機(jī)起/?？刂?、液壓泵電機(jī)過載安全控制；

冷卻和排屑系統(tǒng)控制檢驗(yàn)：冷卻泵和排屑裝置電機(jī)起停控制、冷卻泵電機(jī)過載及排屑裝置卡住安全控制；

潤滑系統(tǒng)運(yùn)行控制；機(jī)床各功能部件故障報(bào)警控制；

在作每項(xiàng)功能驗(yàn)證調(diào)試之前，必須搞清受控對(duì)象所執(zhí)行的順序動(dòng)作；待驗(yàn)證和調(diào)試的順序程序的邏輯控制關(guān)系：是否會(huì)使機(jī)床出現(xiàn)意外的動(dòng)作或事故等。

若程序運(yùn)行正常，無需進(jìn)行修改，便可將PLC程序向ROM寫入，此外還要注意做好程序的保存，將程序的梯形圖及索引打印出來，經(jīng)調(diào)試最終確認(rèn)合格的PLC程序是重要的技術(shù)文件，除固化到EPROM中外，還應(yīng)采取存入軟盤等方式進(jìn)行備份。

當(dāng)立式加工中心電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，為分析和查找故障原因，除需要查閱CNC使用說明書、電氣控制原理圖外，有關(guān)程序的文件也是必不可少的，這些文件包括：經(jīng)調(diào)試確認(rèn)的梯形圖程序；用于梯形圖程序的PC數(shù)據(jù)表（定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PC參數(shù)、數(shù)據(jù)表、內(nèi)部繼電器等的分布地址和各種預(yù)設(shè)定值）。

結(jié)論

本文首先介紹了PLC基本結(jié)構(gòu)及工作原理、PLC與CNC機(jī)床的連接方式，其次介紹了CNC加工代碼在PLC上的實(shí)現(xiàn)方法，然后介紹了PLC的編程步驟及程序的模塊化設(shè)計(jì)，接著重點(diǎn)結(jié)合本次立式數(shù)控車床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行梯形圖編程包括主程序及其各個(gè)子程序，最后介紹了PLC的調(diào)試項(xiàng)目包括的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]楊軍.西門子SINUMERIK數(shù)控系統(tǒng)編程的二次開發(fā)及應(yīng)用.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2（25）：105-108.