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

關(guān)鍵詞：可編程控制器； 數(shù)控機床； 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)控機床使用的PLC簡介

目前，可編程控制器(PLC)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等工業(yè)控制中。數(shù)控機床的控制部分可分為數(shù)字控制和順序控制兩部分，數(shù)字控制部分包括對各坐標(biāo)軸位置的連續(xù)控制，而順序控制包括對主軸正/反轉(zhuǎn)和啟動/停止、換刀、卡盤夾緊和松開、冷卻、尾架、排屑等輔助動作的控制?，F(xiàn)代數(shù)控機床采用PLC代替繼電器控制來完成邏輯控制，是數(shù)控機床結(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。它采用了可編程的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各類機械的生產(chǎn)過程。

1.1 類型介紹

數(shù)控機床使用的PLC可分兩類[1]。一類是專門實現(xiàn)數(shù)控機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裝置之間的信號傳送在內(nèi)部即可實現(xiàn)，PLC與機床側(cè)通過CNC輸入/輸出電話實現(xiàn)信號傳送。

另一類是通用型的PLC，它不是專門為哪一中機器設(shè)計的，可廣泛使用在各種型號中。它具有完備的硬件和軟件，獨立完成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)送過來的M、S、T信息、手動/啟動方式信息、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)軸對應(yīng)的機床參考點信息等。具體來說，有以下作用：①向機床發(fā)送控制信息，主要是控制機床的執(zhí)行元件，如繼電器等；②接收來自機床的信息，主要是機床操作面板輸入信息和其上各種開關(guān)、按鈕等信息，如機床啟動、停止、主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止、主軸狀態(tài)監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準(zhǔn)備信號等。

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。目前國際上生產(chǎn)PLC的各家公司都配有自己的編程語言，它們各自獨立，互補相容。常用的編程語言主要有梯形圖語言、指令語言、系統(tǒng)流程圖三種[2]。

2 PLC的工作過程

在介紹數(shù)控機床中PLC設(shè)計之前，需要先解釋一下PLC的工作過程。PLC的工作過程即是CPU對用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行的過程。對用戶程序的執(zhí)行主要按三個階段進(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)容不會隨著時間信號變化而變化。

（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)的計算，然后將運算結(jié)果保存起來。

（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)動外部負(fù)載。

3 PLC與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床間的信息交換

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

（1）機床側(cè)至PLC：機床側(cè)的開關(guān)量信號通過I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號外，絕大多數(shù)信號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)控機床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機床的功能和配置，對PLC程序和地址分配進(jìn)行修改。

（2）PLC至機床：PLC的控制信號通過PLC的輸出接口送到機床側(cè)，所有輸出信號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)量信號或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號地址與含義由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

一般，數(shù)控設(shè)備所輸入或輸出的點數(shù)大多在128點以下，少數(shù)復(fù)雜設(shè)備在128點以上，故以采用小型的PLC為主。而大型數(shù)控機床、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)計為例，介紹整個設(shè)計方法和過程。

4.1 確定PLC型號及其硬件配置

在確定PLC型號時，需要對如下的三點進(jìn)行正確的預(yù)測或估算：①對輸入/輸出點數(shù)進(jìn)行估算，輸入點事于機床被控對象有關(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接口，以及由機床直接連到NC的輸入信號接口，輸出點包括向機床的繼電器、指示燈燈輸出信號的接口；②確定用戶存儲容量，程序規(guī)模隨機床的復(fù)雜程度變化，設(shè)計者要根據(jù)具體任務(wù)對程序規(guī)模作出估算，并據(jù)此確定合理的存儲容量；③考慮所選PLC的處理時間、指令功能、定時器、計數(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)對能否滿足功能要求作出估計。

4.2 制作信號接口技術(shù)文件

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

4.3 繪制梯形圖

設(shè)計者在明確控制要求和深入分析機床工作原理和動作順序后，運用梯形圖的邏輯設(shè)計法規(guī)則或順序控制設(shè)計法進(jìn)行邏輯控制程序的設(shè)計，這種設(shè)計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)機調(diào)試兩種。仿真調(diào)試，也稱模擬調(diào)試，是指在實驗室條件下，采用特制的“仿真設(shè)備”代替機床與CNC，而與PLC和PLC編程器連接起來，對順序程序進(jìn)行的調(diào)試。仿真調(diào)試是聯(lián)機調(diào)試的一個重要步驟，它可以解決諸如機床控制面板控制、工作臺運行、工件裝夾、主軸起停、刀庫手動和自動找刀、機械手換刀、工作臺分度及各機械動作和控制邏輯的互鎖關(guān)系等各種功能的校驗，并進(jìn)行分步動作和循環(huán)動作的運行調(diào)試，以確保順序程序控制原理的正確性。聯(lián)機調(diào)試是把機床、CNC裝置包括PLC和編程器連接起來進(jìn)行的整機機電運行調(diào)試。聯(lián)機調(diào)試工作在車間現(xiàn)場由具有機電專業(yè)知識的多名工程技術(shù)人員協(xié)同進(jìn)行。聯(lián)機調(diào)試時，必須預(yù)先確定調(diào)試項目及其試驗方法，并按先易后難，邏輯動作的先后、安全第一的原則，逐項進(jìn)行調(diào)試試驗。

4.5 數(shù)控加工代碼的實現(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運動軌跡、機床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補償、坐標(biāo)偏置等多種加工操作；輔助功能M指令主要控制機床強電部分，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償有關(guān)；S指令指定主軸轉(zhuǎn)速；F指令指定加工時的進(jìn)給速度。

5 結(jié)束語

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的設(shè)備已由單機擴展到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)：

[1] 趙玉剛.數(shù)控技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 孫漢卿.數(shù)控機床維修技術(shù)[M].北京：繼續(xù)工業(yè)出版社，2000.

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

收稿日期：2008-03-12

作者簡介：張耀旗（1971-），男，河北邯鄲人，工程師，研究方向：計算機應(yīng)用。