摘要:可編程控制器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中，本文主要介紹了可編程控制器的工作原理、功能以及與數(shù)控機(jī)床外部設(shè)備之間的信息交換，并以我院的CK160數(shù)控車床為例說(shuō)明其應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞:可編程控制器；數(shù)控機(jī)床；換刀
　　1引言
　　目前，可編程控制器(PLC)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。數(shù)控機(jī)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(duì)各坐標(biāo)軸位置的連續(xù)控制，而順序控制包括對(duì)主軸正/反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)/停止、換刀、卡盤夾緊和松開、冷卻、尾架、排屑等輔助動(dòng)作的控制。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用PLC代替繼電器控制來(lái)完成邏輯控制，使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，響應(yīng)速度和可靠性大大提高。
　　在吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，小規(guī)格全功能CK160數(shù)控車床。該數(shù)控車床采用日本FANUC公司的POWERMATE0數(shù)控系統(tǒng)，配置全數(shù)字交流伺服裝置，主軸采用進(jìn)口變頻器控制，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置PLC，功能指令強(qiáng)，使用方便、靈活、用戶易懂。
　　現(xiàn)以CK160為例，說(shuō)明PLC在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。
　　2車床的PLC數(shù)控系統(tǒng)控制原理設(shè)計(jì)
　　2.1車床的操作要求
　　車床一般加工回轉(zhuǎn)表面、螺紋等。要求其動(dòng)作一般是X、Z向快進(jìn)、工進(jìn)、快退。加工過(guò)程中能進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)、車外圓與車螺紋等轉(zhuǎn)換；并且能進(jìn)行中步操作。
　　2.2PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問(wèn)題
　　車床的操作過(guò)程比較復(fù)雜，而PLC一般只適用于動(dòng)作的順序控制。要將PLC用于控制車床動(dòng)作，必須解決三個(gè)問(wèn)題：
　　1)如何產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)的信號(hào)及X、Z向動(dòng)作的協(xié)調(diào);
　　2)如何改變進(jìn)給系統(tǒng)速度;
　　3)車螺紋如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)及螺紋導(dǎo)程的變化。
　　將PLC及其控制模塊和相應(yīng)的執(zhí)行元件組合，這些問(wèn)題是可以解決的。
　　2.3數(shù)控系統(tǒng)的控制原理
　　普通車床數(shù)控化改造工作就是將刀架、X、Z向進(jìn)給改為數(shù)控控制。根據(jù)改造特點(diǎn)，伺服元件采用步進(jìn)電機(jī)，實(shí)行開環(huán)控制系統(tǒng)就能滿足要求。Z向脈沖當(dāng)量取0.01mm,X向脈沖當(dāng)量取0.005mm。選用晶體管輸出型的PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)由編程產(chǎn)生，通過(guò)程序產(chǎn)生不同頻率脈沖實(shí)現(xiàn)變速。X、Z向動(dòng)作可通過(guò)輸入手動(dòng)操作或程序自動(dòng)控制。車螺紋的脈沖信號(hào)由主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)與門電路接入PLC輸入端，經(jīng)PLC程序變頻得到所需導(dǎo)程的脈沖。刀架轉(zhuǎn)位、車刀進(jìn)、退可由手動(dòng)或自動(dòng)程序控制。
　　3數(shù)控機(jī)床改造的可行性
　　普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床是指對(duì)普通機(jī)床某些部位機(jī)械結(jié)構(gòu)做一定的改造，加上數(shù)控裝置，從而使普通機(jī)床具有數(shù)控加工能力。
　　機(jī)床數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：
　　其一是恢復(fù)原功能。對(duì)機(jī)床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)。
　　其二是NC化。在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床。
　　其三是翻新。為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度;對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新。
　　其四是技術(shù)改造或技術(shù)創(chuàng)新。為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に嚒⑿录夹g(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)改造或技術(shù)創(chuàng)新。較大幅度地提高水平和檔次。
　　4可編程序控制器選型
　　根據(jù)D-U3710組合機(jī)床動(dòng)作循環(huán)圖、技術(shù)特性，確定采用東芝EX系列可編程控制器。東芝EX系列可編程控制器與其他類型的可編程控制器相比，體積小，耗電量小，裝置時(shí)間短，耐大電流沖擊，可靠性極高，尤其是采用與眾不同的圖形液晶讀/寫程序編寫器，可以在其顯示器上監(jiān)視程序的編排、修改，一目了然，非常直觀。通過(guò)系統(tǒng)分析，D-3701組合機(jī)床的輸入點(diǎn)為24個(gè)、輸出點(diǎn)為19個(gè)，所以選用東芝EX系列可編程控制器的基木單元EX-40H+擴(kuò)展單元EX20來(lái)完成。EX-40H+EX20的輸入點(diǎn)為36個(gè)、輸出點(diǎn)24個(gè)，大于系統(tǒng)所確定的I/O數(shù)，為此使用EX-40H+EX20是可行的。
　　在確定系統(tǒng)所需的I/O數(shù)后，還需進(jìn)一步確定輸入量、輸出量的元件號(hào)，輸入/輸出繼電器的元件號(hào)與它們對(duì)應(yīng)的I/O號(hào)所接的端子編號(hào)是一致的，做好這一步就為繪制硬件接線圖做好了準(zhǔn)備。在此過(guò)程中應(yīng)列一張地址分配表，標(biāo)明各信號(hào)的名稱、代號(hào)和分配的元件號(hào)。如果需要還應(yīng)列出信號(hào)的有效狀態(tài)，是上升沿有效還是下降沿有效，是高電平有效還是低電平有效等;對(duì)于開關(guān)量輸入信號(hào)還應(yīng)列出是常開觸點(diǎn)還是常閉觸點(diǎn)，觸點(diǎn)在什么條件下接通或斷開。為輸入量、輸出量分配好元件號(hào)后，下一步就可設(shè)計(jì)出可編程序控制器的硬件接線圖以及其他電氣部分的原理圖、接線圖和安裝圖。
　　5PLC的工作過(guò)程
　　PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸人和輸出，控制各類機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程。
　　PLC的工作過(guò)程即是CPU對(duì)用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行的過(guò)程：對(duì)用戶程序的執(zhí)行主要按三個(gè)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(hào)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(huì)隨著實(shí)際信號(hào)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)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果重新存入輸出映象寄存器中。
　　3)輸出刷新在所有指令執(zhí)行完后，輸出映象寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)(接通/斷開)在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過(guò)一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。
　　6PLC與數(shù)控機(jī)床外部設(shè)備的信息交換
　　PLC、系統(tǒng)和機(jī)床三者之間的信息交換包括如下四部分：
　　1)機(jī)床至PLC
　　機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)通過(guò)PLC輸入接口送至PLC中，除了極少數(shù)信號(hào)外，絕大多數(shù)信號(hào)的含義及所占用PLC的地址(X地址)均可由PLC程序設(shè)計(jì)者自行定義。
　　2)PLC至機(jī)床
　　PLC控制機(jī)床的信號(hào)通過(guò)PLC的輸出接口送到機(jī)床側(cè)，所有開關(guān)量輸出信號(hào)的含義及所占用PLC的地址(Y地址)均可由PLC程序設(shè)計(jì)者自行定義。
　　3)系統(tǒng)至PLC
　　系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)輸入至PLC，所有一信號(hào)的含義及PLC的地址(F地址)均由系統(tǒng)制造商確定，PLC編程者只可使用，不可更改。
　　4)PLC至系統(tǒng)
　　PLC輸出控制信號(hào)到系統(tǒng)，所有信號(hào)的含義及PLC的地址(G地址)均由系統(tǒng)制造商確定，PLC編程者只可使用，不可更改。
　　7PLC在數(shù)控機(jī)床中的功能
　　1)操作面板的控制
　　操作面板分機(jī)床操作面板和系統(tǒng)操作面板機(jī)床操作面板上的控制信號(hào)直接送入PLC，系統(tǒng)操作面板上控制信號(hào)由系統(tǒng)送到PLC，控制數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行。
　　2)機(jī)床外部開關(guān)輸人信號(hào)
　　將機(jī)床側(cè)的開關(guān)信號(hào)送入PLC，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。這些控制開關(guān)包括行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)等。
　　3)輸出信號(hào)控制
　　PLC輸出的信號(hào)經(jīng)強(qiáng)電柜中的繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)燈等輸出給控制對(duì)象。
　　4)T功能實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)送出T代碼指令給PLC，經(jīng)過(guò)譯碼，在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的刀號(hào)，并與現(xiàn)行刀號(hào)進(jìn)行比較，如果不符，發(fā)出換刀指令，刀盤換刀，到位停止，系統(tǒng)發(fā)出完成信號(hào)。
　　5)M功能實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)送出M代碼指令給PLC，經(jīng)過(guò)譯碼，輸出控制信號(hào)，控制主軸正/反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)/停止、卡盤的夾緊和松開、冷卻液的開關(guān)等。M功能完成時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出完成信號(hào)。
　　8應(yīng)用舉例
　　下面是PLC在CK160數(shù)控車床六工位數(shù)控刀盤上的應(yīng)用：
　　系統(tǒng)送出T代碼指令(T00～T31二進(jìn)制代碼)，經(jīng)TMF時(shí)間(參數(shù)設(shè)定)，發(fā)出T代碼讀指令信號(hào)TF,PLC讀入T代碼，譯碼后，找到T代碼指定的刀號(hào)，并與現(xiàn)行刀號(hào)進(jìn)行比較，如果不符，刀盤正轉(zhuǎn)換刀，到位反轉(zhuǎn)1秒鎖緊，換刀停止，系統(tǒng)發(fā)出完成信號(hào)。換刀梯形圖如圖1所示。
　　
　　梯形圖中的功能指令MOVE用于邏輯乘后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，屏蔽二進(jìn)制數(shù)據(jù)的高四位，完成刀具當(dāng)前位置的傳送;COIN用于刀具符合檢查，完成目標(biāo)刀號(hào)與當(dāng)前刀號(hào)的比較;TMRB用于定時(shí)。梯形圖中的信號(hào)地址見表1。
　　
　　應(yīng)用PLC的邏輯控制技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化強(qiáng)電控制線路，提高工業(yè)產(chǎn)品的可靠性，隨著其性能的進(jìn)一步提高和完善，必將進(jìn)人更多的工控領(lǐng)域。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]卓迪仕.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用「M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社.1997.

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