葉選林，韓 青，劉龍江

（云南廣播電視大學(xué)云南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，云南昆明 650223）

中國是一個傳統(tǒng)的機械制造大國，但裝備水平落后，特別是一些老的機械制造廠大多還是用精度比較低的舊機床，這遠遠不能滿足現(xiàn)代客戶的加工要求，如：加工精度高，小批量生產(chǎn)等。針對目前制造業(yè)的裝備現(xiàn)狀，我們有兩種途徑，可以解決上述的不能加工高精度零件的問題：

（1）購買新的制造裝備；

（2）用現(xiàn)代先進技術(shù)對舊的設(shè)備進行改造和提升。

從上述的兩種途徑來看，如果全部購買新的設(shè)備，很顯然需要付出成本很大。而用先進的控制技術(shù)對舊的設(shè)備進行改造和提升，不僅可以對舊的設(shè)備重新利用，還可以節(jié)約成本，本課題是針對云南機床廠生產(chǎn)的CY6140車床進行數(shù)控化改造，其現(xiàn)實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設(shè)備改造方法，對傳統(tǒng)機械制造行業(yè)的技術(shù)裝備進行技術(shù)提升，以解決目前設(shè)備老化所帶來的問題。

1 PLC的基本功能

數(shù)控機床所用的順序控制裝置（或系統(tǒng)）主要有兩種：一種是傳統(tǒng)的“繼電器邏輯電路”，簡稱RLC（Relay Logic Circuit）；另一種是“可編程序控制器”，即PLC。

RLC是將繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等機電式控制器件，用導(dǎo)線連接而成的以實現(xiàn)規(guī)定的順序控制功能的電路。在實際應(yīng)用中，RLC存在一些難以克服的缺點。如：難以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯運算、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)控機床所需要的許多特殊控制功能，整個RLC體積龐大，功耗高，可靠性差等。與RLC比較，PLC是一種工作原理完全不同的順序控制裝置。

PLC具有如下基本功能：

（1）PLC是由計算機簡化而來的。為適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了計算機的一些數(shù)字運算功能，而強化了邏輯運算控制功能，是一種功能介于繼電器控制和計算機控制之間的自動控制裝置。

（2）具有面向用戶的指令和專用于存儲用戶程序的存儲器。用戶控制邏輯用軟件實現(xiàn)。適用于控制對象動作復(fù)雜、控制邏輯需要靈活變更的場合。

（3）用戶程序多采用圖形符號和邏輯順序關(guān)系與繼電器電路十分近似的“梯形圖”編輯。梯形圖形象直觀，工作原理易于理解和掌握。

（4）PLC可與專用編程機、編程器、個人計算機等設(shè)備聯(lián)接，可以很方便地實現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存儲和傳送等操作。

（5）PLC沒有繼電器那種接觸不良、觸點熔焊、磨損和線圈燒斷等故障。運行中無振動、無噪音，且具有較強的抗干擾能力，可以在環(huán)境較差（如粉塵、高溫、潮濕等）的條件下穩(wěn)定、可靠地工作。

（6）PLC結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，容易裝入機床內(nèi)部或電氣箱內(nèi)，便于實現(xiàn)數(shù)控機床的機電一體化。

2 PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作過程

PLC采用的是典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要包括CPU、RAM、ROM和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個系統(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、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為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)部邏輯運算或其他各種運算、處理后送到輸出端子，他們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對外圍設(shè)備進行各種控制。這里可將PLC看作一個中間處理器或變換器，以將輸入變量變換為輸出變量[1]。

2.1 PLC控制系統(tǒng)組成

（1）輸入部分。如按鈕開關(guān)、限位開關(guān)等，直接與PLC輸入端子相連接，用以產(chǎn)生輸入控制信號，這些信號來自操作臺上的人工指令。

（2）控制部分。反復(fù)執(zhí)行根據(jù)被控對象的實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。

（3）輸出部分。如接觸器、電磁閥等，它們直接與PLC輸出端子相連接，用以控制被控對象的動作。

2.2 PLC工作過程分三段進行

（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，將所有輸入端子的通斷狀態(tài)（輸入信號）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，即使輸入信號發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不變，直到下一個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的實際輸出并有輸出端子送出。

3 PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用

3.1 PLC在數(shù)控系統(tǒng)中的作用

在機床的數(shù)控系統(tǒng)中，控制部分可分數(shù)字控制和順序控制兩大部分。數(shù)字控制部分，控制刀具軌跡；而順序控制部分，控制輔助機械動作，這種輔助動作控制通常稱強電控制，它以主軸轉(zhuǎn)速S、刀具選擇T和輔助機能M為代碼信息，送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)的識別、處理，轉(zhuǎn)換成與輔助動作對應(yīng)的控制信號，使執(zhí)行環(huán)節(jié)作相應(yīng)的開關(guān)動作[2]。

（1）PLC輸入輸出端與機床面板信號聯(lián)接。CNC數(shù)控車床操作面板上有按鈕、旋鈕開關(guān)、波段開關(guān)和指示燈等，按鈕、旋鈕開關(guān)和波段開關(guān)，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。

（2）PLC輸出端與車床強電信號聯(lián)接。PLC在CNC車床中的主要作用，是控制強電部分，如：主控電源、伺服電源、刀架電機正反轉(zhuǎn)、主軸風(fēng)扇、潤滑電機等。由于流過強電電路的電流很大，在PLC輸出端都接有保護用繼電器。在每一個交流線圈兩側(cè)并聯(lián)阻容電路以吸收由于線圈通斷時產(chǎn)生的浪涌電流。為了提高電機運行的可靠性，在接觸器線圈電路中加有互鎖保護觸點。同理，每個電機的運行程序控制邏輯，都固化在PCROM卡中，受機床操作面板開關(guān)和數(shù)控系統(tǒng)軟件的控制[3]。

（3）PLC輸入端與CNC機床數(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車床數(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)。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，數(shù)控裝置根據(jù)輸入信號的性質(zhì)做出相應(yīng)的控制。

（4）CNC加工代碼在PLC上的實現(xiàn)方法。目前，數(shù)控車床程序中，有關(guān)車床坐標系約定、準備功能、輔助功能、刀具功能及程序格式等方面已趨于統(tǒng)一，形成了統(tǒng)一的標準，即所謂的CNC車床ISO代碼。在一個加工程序中，包含許多程序段，每個段又由若干字組成，每1個字表示一種功能，歸納起來有4種：

第一種是準備功能，即所謂的G代碼；

第二種是輔助功能，即所謂的M代碼；

第三種是刀具功能，即所謂的T代碼；

第四種是轉(zhuǎn)速功能即所謂的S代碼。

根據(jù)數(shù)控車床性能的不同，能執(zhí)行這4種功能多少的程度也不同。在數(shù)控車床內(nèi)部的4種功能中，G功能主要與聯(lián)動坐標軸驅(qū)動有關(guān)，是通過CPU控制數(shù)控裝置的I/O接口實現(xiàn)；M功能主要控制車床強電部分，包括主軸換向、冷卻液開關(guān)等功能；T功能與刀具的選擇和補償有關(guān)。

（5）T功能代碼的實現(xiàn)方法。T功能代碼包含兩部分：一是刀具選擇；二是刀具位置補償。在PLC上實現(xiàn)的是第1部分功能：刀具選擇。換刀過程如下：運行數(shù)控程序，發(fā)出某個刀具號的換刀指令，對應(yīng)的數(shù)控裝置I/O口變?yōu)楦唠娖剑筆LC輸入端的軟開關(guān)接通，換刀電機正轉(zhuǎn)，當在刀架上的干簧管觸點開關(guān)接通后，換刀電機反轉(zhuǎn)，使刀架下落壓緊，當壓緊力足夠大時，微動開關(guān)接通，換刀電機停止運轉(zhuǎn)[3]。

（6）M功能代碼實現(xiàn)方法。ISO數(shù)控加工代碼標準中輔助功能很多，對于不同的數(shù)控車床，所能實現(xiàn)的輔助功能也不盡相同，但是各種數(shù)控車床都具有一些基本的輔助功能。如M00(程序停止)，M03(主軸正轉(zhuǎn))，M05（主軸停止）等，M功能的一部分是由數(shù)控系統(tǒng)本身的硬件和軟件實現(xiàn)，還有一部分需要數(shù)控裝置與PLC相結(jié)合來完成。如主軸的正轉(zhuǎn)與停止功能，M功能的實現(xiàn)與T功能的實現(xiàn)方法類似，同樣是數(shù)控裝置I/O接口發(fā)出指令，由PLC輸入端狀態(tài)和PLC內(nèi)部ROM中的梯形圖程序決定PLC輸出端的狀態(tài)，進而完成M功能。

3.2 PLC的分類

（1）CNC數(shù)控系統(tǒng)的兩類控制信號。一類是高速信號，主要用于各個坐標軸的插補運動；另一類是低速信號，主要用于控制主軸電機的正、反運轉(zhuǎn)、接觸器、電磁閥的通斷等開關(guān)量。低速信號的控制對象，主要一些高電壓或大電流的強電設(shè)備，其控制采用可編程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特點，而且隨著可編程控制器本身性能價格比不斷提高，在現(xiàn)代CNC、FMS系統(tǒng)中的應(yīng)用有不斷上升的趨勢。

（2）數(shù)控車床PLC目前的兩種形式。一種是采用單獨的CPU完成PLC功能，即配有專門的PLC，PLC在CPU外部，稱為外裝型PLC；第二種是采用數(shù)控系統(tǒng)與PLC合用一個CPU的方法，PLC在CPU內(nèi)部，稱為內(nèi)裝型PLC。FANUC數(shù)控系統(tǒng)采用內(nèi)裝型PLC[4]。

4 結(jié)束語

車床的翻新改造，也是一個對技術(shù)要求較高的行業(yè)，其要求從事該行業(yè)的公司和科研單位，必須具有較高的綜合能力，必須具有自動控制、計算機技術(shù)、電氣設(shè)備施工、機械設(shè)備維護、機械工藝等各方面的工程技術(shù)人員，然后制定出合理準確的改造方案。只有這樣，才能保證舊車床數(shù)控改造的順利進行。

[1]李中華.機床的數(shù)控改造及應(yīng)用[D].北京:華北電力大學(xué)，2005.

[2]何 寧.機床原理及應(yīng)用[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2004.

[3]茍 琪.可編程控制器在CNC機床中的應(yīng)用[J].機械工業(yè)自動化，1998，（8）：9-11.

[4]劉瑞己.可編程控制器(PLC)在數(shù)控機床(CNC)中的應(yīng)用[J].機床與自動化加工技術(shù)，2002，（12）：61-62.