計算機數控機床根據具體應用場合和加工方式的不同,其結構形式是多種多樣的。 從總體結構上看,是由機床床身、CNC 系統、驅動裝置、執行電機、輔助裝置、控制電路和接口等組成,這些部分相互分工、相互協調共同完成一定的加工要求。數控機床上有兩類基本的控制功能:一類是實現刀具相對工件各坐標軸幾何運動規律的數字控制,這個任務是由計算機數控裝置來完成。 另一類是機床相關開關量信號的順序控制以及各坐標軸的啟停、更換刀具、開閉冷卻液等輔助功能的控制,這類開關量控制信息現在一般由PLC(可編程邏輯控制器) 來完成的。 PLC具有面向用戶指令和專用于存儲用戶程序的存貯器,適用于控制對象動作復雜,控制邏輯需要靈活變更的場合。PLC能與編程器、計算機等設備連接,可以方便地實現程序的顯示、編輯、診斷、存儲和傳送等操作,而上位機將這兩類控制信息進行協調處理,實現正常的運轉和工作。 所有這些都要求必須對數控機床的整個控制邏輯有透徹的理解和分析,才能順利地利用現有的運動控制系統(運動控制器)開發新的數控機床或改造已有的數控機床。

1 PLC 簡介及工作原理

　　PLC 是以微處理器技術為基礎,綜合了計算機技術、自動化技術和通訊技術的一種新型工業控制裝置。 具有可靠性高、耐惡劣環境能力強、使用方便等特點,其廣泛應用于工業控制領域。 PLC雖具有微機的許多特點,但它的工作方式卻與微機有很大不同。 微機一般采用等待命令的工作方式,PLC 則采用循環掃描工作方式,如圖1 所示。對每個程序,CPU 從第一條指令開始執行,直至遇到結束符后又返回第一條,如此周而復始不斷循環,每一個循環成為一個掃描周期。 這種工作方式是在系統軟件控制下,順次掃描各輸入點的狀態,按用戶程序進行運算處理,然后順序向輸出點發出相應的控制信號。 其工作過程如圖2 所示。 順序循環掃描工作方式簡單直觀,簡化了程序設計,并為PLC 可靠性運行提供了有利的保證,有的場合也加入中斷方式來中斷其當前工作過程。

圖1 　PLC 的循環掃描工作方式

圖2 　PLC 的控制結構圖

2 PLC 在數控機床上的硬件結構

　　機床電氣系統是控制機床各部分的工作、協調完成機床加工任務的核心部分。 它由大量繼電器構成復雜的邏輯控制電路,通過接受由控制面板及機床各部分位置開關傳來的信號并經硬件邏輯運算,確定并控制機床的狀態。 機床控制框圖如圖3所示。

圖3 　PLC 的控制結構圖

　　PLC 是CNC 系統與外設協調工作的一個重要接口,它根據系統要求傳遞信息,接受機床操作指令,監控機床的狀態,并根據這些輸入信息運行事先編制好的機床動作邏輯程序,通過輸出口直接驅動電氣控制系統執行相應動作。

　　數控機床的繼電器控制邏輯主要是用于控制各坐標軸正常運動前及運動過程中所必須達到的條件和狀態、各種保護和報警處理。數控系統基本信號的處理:

　　1)NC操作面板,監控NC系統的信號,監控驅動系統的信號,各坐標軸限位信號,各坐標軸回原點信號。

　　2)控制電力輸出,提供機床各部件的電力供給。

　　3)機床潤滑系統,PLC程序通過對時間的設定,采用定時潤滑的方式提供潤滑系統的正常工作,使油泵電機既不用始終處于工作狀態,又能保持潤滑流暢。 同時監控潤滑泵故障等。

　　4)機床安全保護和診斷系統,無論對任何機人員的人身安全,又要在故障出現時避免設備受損。 PLC 程序中的安全保護功能如下:急停時,機床所有動作立即停止;垂直軸在伺服給電后抱閘松開,斷電后閉合;對手動和自動操作方式采用互鎖;執行部件的自身保護及其之間的互鎖。 整個CNC 系統可對其他各部分的運行進行實時監控,當有故障發生時,系統除對相應部分進行保護外,并可自我診斷,在顯示器上顯示報警信息。

　　所開發的數控機床共有6 套伺服電機。 根據機床輸入/ 輸出點的多少,并考慮發展需要,選擇了松下FP1 的C72 + E24 ,共用+ 24 V ,輸入端41個, + 24 V 輸出端16 個。 在輸出方面,由于PLC只有直流24 V 輸出,輸出電流為1 A。 為驅動交流220 V 接觸器及較大的直流24 V 負載,交流負載通過PLC 輸出驅動繼電器,用中間繼電器驅動交流接觸器。 直流負載采用直流24 V 繼電器中間驅動環節。 保證系統可靠工作。

3 PLC 控制程序的開發

　　3.1 　PLC軟件結構

　　在確定了硬件結構后,根據對機床功能的要求,開發編制了PLC 軟件,整個控制軟件從功能上可分成四個程序模塊:上電啟動模塊,手動模塊,自動模塊,報警處理模塊。 如圖4 所示。

圖4 　PLC 梯形圖的總體結構圖

　　繼電器控制邏輯可以用流程圖來表達。 如果一個坐標軸運動過程中出現超程,壓下限位而引起急停,伺服系統使能關閉。 此急停的復位條件是超程解除,才能恢復伺服系統使能,這種問題的解決往往依靠兩個以上條件的滿足,所以機床運轉過程中的安全性得到滿足。 上電啟動模塊:作為系統正常運行的條件,它主要指系統主電路及PLC輸出是否已經上電,各個電機接觸器的保護繼電器是否過熱,各坐標軸的當前位置是否超程等。 同時需要把PLC 輸出點及一些能夠反映運行信息的中間繼電器輸出通過RS2232 傳遞到上位機,作為系統信息的實時反饋。

　　上電啟動模塊完成后,即系統啟動條件完全具備,即可判斷操作者選用什么操作方式,即選用手動方式、自動方式還是MDI 方式。 進入不同的操作方式需要一定的初始條件,而且各個方式之間還需要有互鎖。

　　手動模塊:用于執行機床操作面板上的相應控制功能。 比如坐標軸選擇、倍率選擇、回原點、JOG+ 、JOG- 和壓限后的超程解除等。自動模塊:保證加工程序正常運行的相應功能。 如循環啟動、循環停止等。

　　報警處理模塊:對機床故障信號的處理,包括個坐標軸限位、伺服系統故障、主軸潤滑報警,還有一些緊急情況的急停等。 當報警產生時,根據不同情況采取相應措施,并在顯示器上給出產生報警的相關原因,以便進行下一步操作。

　　3.2 PLC軟件的開發

　　數控機床的啟動程序是數控機床正常工作的第一步,也是軟件開發中最重要的一部分,它用來實現從系統上電到各坐標軸伺服驅動器的伺服使能的一段過程,包括油泵啟動、各軸準備條件、限位等條件。 在這段過程中只有所有條件都滿足的情況下,各軸伺服才能使能。 這一過程的流程圖如圖5所示。

圖5 　數控機床啟動過程流程圖

　　啟動程序的完善與否關系到機床運轉能否正常及安全進行。 本機床PLC 程序的開發具有一的代表性。 具體過程如下:系統上電,首先檢測急停按鈕是否按下,若正常啟動油泵電機,延時5 s后伺服主電源上電,延時5 s 是為了使主軸變速箱能夠提前得到充分的潤滑。 伺服電源上電后檢測各軸的伺服是否準備好,并將此作為一個判斷條件處理。 若一切正常,繼續檢測各坐標軸的限位開關是否有壓下的,此處也作一個判斷條件來處理。 如有坐標軸處于壓限狀態,機床的操作面板及CNC 的MMI (人機界面) 同時有報警信息顯示,可通過手動操作來消除。 在以上的條件都滿足的情況下,各坐標軸的伺服使能有效。 同時,垂直軸的抱閘開關失電放開。 這樣機床就處于隨時準備運動的狀態下。 梯形圖如圖6 所示。

圖6 　數控系統啟動狀態梯形圖

4 結　論

　　在開發非標數控機床的過程中,通過采用多軸運動控制器和外置可編程控制器構建數控系統,具有編程方便、使用調度靈活、性能可靠、運行安全等優點。 相比傳統的數控系統,簡化了機床結構和控制系統,系統的可重構性和可靠性大為提高。