PLC在数控机床中的应用

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　　随着科学技术的不断进步，制造业的水平是企业生产力的主要构成因素。而数控技术是决定制造水平的核心，数控机床自1952 年在美国麻省理工学院问世以来，历经半个世纪，数控系统经历了数控（NC）阶段和计算机数控（CNC）阶段。可编程控制器PLC是随着工业生产的进步而产生的先进的计算机控制系统，已被广泛应用于制造型企业数控机床加工生产过程中。由于可编程控制器PLC 控制性能可靠性高、适用性强以及在组机周期和硬件成本等诸多方面均比其它控制产品有独特的优势，随着企业自动化水平的提高，可编程控制器PLC 在改善企业自动化生产设备、过程控制、数据处理等方面深受制造型企业青睐。
　　1 数控机床中的PLC 概述
　　1.1 数控机床的组成
　　数控机床是数字控制机床（Computer numerical controlmachine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用专业计算机数字代码表示，最终经由信息载体输入相应数控设备。由数控装置系统发出的各种控制信号经过运算处理，控制机床执行相应动作，按控制信号所要求的图纸形状和尺寸，将零件自动加工成型。数控机床一般由输入输出设备、CNC单元、伺服单元、驱动装置、可编程控制器PLC 及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成，图1 为数控机床的组成框图。
　　图1 数控机床的组成框图
　　1.2 PLC 技术的特点
　　PLC 是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称，以一类可编程的存储器为载体，通过对其内部存储程序执行相应逻辑运算、顺序控制、定时计数以及相关的算术操作等面向用户的指令，从而实现数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械设备或相关的生产过程。作为专为工业控制设计的控制器，其内部采用大规模集成电路构成的微处理器和存储器等，与传统的控制方法相比，有独特的优点：(1)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；(2)可靠性高，能在恶劣的环境中可靠地工作，具有很强的抗干扰能力；(3) 适用性好，对于同一台PLC 控制器，只要改变其中软件，就可以实现对不同类型的控制要求。随着PLC 技术水平的提高，PLC 已经实现产品序列化，可以由各序列化产品组合成不同类的控制系统，以满足不同的控制要求；(4)可编程逻辑控制器编程简单、基本指令较少，其梯形图和传统的继电器控制图相近，容易被工程技术人员掌握。可通过利用PLC 相应的输入输出接口直接和继电器、接触器、电磁阀连接，操作简单。编程序方法和步骤容易掌握，对于相关程序人员来说，程序增减、修改以及运行监视较方便，具备一般电工基础知识和一定文化水平的人员，短期内即学即用[1]；(5)PLC 体积小巧，重量较轻，能耗较低，例如对于新型超小PLC，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
　　图2 为PLC 内部结构框图。

　　1.3 可编程逻辑控制器的工作原理
　　对于常见的可编程控制器，PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，其具体实现过程如下：在每次实施具体扫描时，集中采集外部输入信号，集中对刷新相关的输出信号；输入相关刷新过程状态，待输入端关闭、程序处于执行阶段时，输入端将产生新状态，其新状态直到在程序执行下一次扫描周期时才被读入；一个完整的扫描周期包括采样输入、执行程序、刷新输出等步骤；随着程序执行过程的变化，元件映象寄存器的内容发生变化；扫描周期的长短由CPU指令执行速度、指令本身所占有时间长短和指令数量决定，现在的PLC 扫描速度都是非常快的；因为使用“集中采样、集中输出”的方式，输入/输出滞后的现象不可避免，即输入/输出响应延迟。
　　1.4 数控机床PLC 与外部进行信息交换过程
　　数控机床可编程控制器PLC和外部信息交换主要由可编程控制器PLC、CNC和与之相关的数控机床间进行信息交换，具体又分为以下四种情况，从机床到PLC，从PLC 到机床，从CNC 到PLC 和从PLC 到CNC。
　　1.4.1 从控制机床侧到PLC 系统的信息交换
　　我们所常说的机床侧开关量信号通常是经由I/O的单元接口传输到PLC 中。除开少数的信号，大部分的信号所代表的内涵、作用、匹配的地址分配等都是可以通过相应的PLC 编程来进行实现的。对于生产数控机床的生产商而言，也需要按照需求来对产品进行相应功能的匹配或调整PLC编程或输入地址。
　　1.4.2 从PLC 返回机床的信息交换
　　PLC 通常需要参照数控机床所需的配置、所需实现和达到的控制功能，来进行信号的传输，比如将相应的机床控制信息通过数字信号传输到机床侧。而对于数控机床输出的信息而言，其输出地址也可以通过程序人员或者技术编制人员进行调整和定义。
　　1.4.3 从CNC 到PLC 的信息交互
　　通过PLC 还可以实现与CNC 信息交互。所有CNC 的信息都可以直接通过数字信号传输至PLC 所包含的存储空间，我们俗称为“寄存器”。这个寄存器可以存放所有通过CNC 所传输的信息，这些信息的内容、地址等都是由相应的制造厂商所定义的，对于PLC的操作者和程序人员仅可以使用，却无法进行调整、删减或者增加，比如数控机床中所使用的M 功能、S 功能、T 功能等，在通过CNC 传输到PLC 寄存器后，只能使用，不能修改。
　　1.4.4 从PLC 到CNC 的信息交互
　　信息流不仅可以实现从CNC 到PLC 的传输，还能实现从PLC 到CNC 的逆向传输。通过PLC 的寄存器，信息流可以实现逆向传输，即信息流通过PLC将相关信息的内容、地址反馈回CNC，所适用的信息的地址是需要符合CNC厂家相关规定的。如图3 所示为“PLC 信息传输框图（以内装式型为例）”。

　　图3 PLC 信息传输框图（以内装式型为例）

　　2 PLC 在数控机床中的具体应用
　　2.1 在数控机床PLC 具体工作过程
　　按照常规PLC 所需的工作流程，我们可以将PLC 在数控机床中的工作流程划分为以下若干步骤，主要包括：（1）信息导入和采样。这一阶段就是根据顺序对PLC 所需信号进行输入，即扫描读入，扫描读入后的信号会被存放到寄存器。（2）执行既定程序。在这一阶段信息系统会通过对不同程序的扫描，甄选出按特定顺序存放的内容，并且将这些内容从寄存区进行输入或输出，来实现数据的读取、运算，对于运算完成的结果还会反馈回寄存区，从而保证最终结果输出和今后对于同类信息的提取。（3）信号输出阶段。这一阶段是指完成所有的指令或程序后，寄存区将会把结果进行输出，并且将输出的结果转存到相应的锁存器，从而选择所需或指定的方式进行结果输出[2]。
　　2.2 PLC 在数控机床中的实际应用
　　PLC在数控机床方面的应用大致可分为两类：（1）从在逻辑关系上从属于CNC且共享CNC硬件的“内装式”PLC，主要目的在于实现对数控机床的顺序控制，此类型PLC 和相关的CNC 之间的信号传递通过在计算机内部控制实现[3]；（2）在逻辑关系和硬件上独立于CNC 的“独立式”的PLC，此类逻辑控制器具有独立的软件系统和硬件设施来完成相关功能，能独立进行功能控制，从而实现对数控机床的自动控制。
　　详细地讲，内装式PLC 即集成型PLC，集成型的特点是可以把PLC和NC之间进行综合衡量，它们之间的的信号传输是基于内部总线而展开，内部通信指令传输速度快且通道较宽，这种方式既可以分别通过NC和PLC单独的中央处理器，也可以共用一个CPU。而对于独立式的PLC，即“外装式PLC”，无论是CPU 还是NC 和PLC 内部结构，都是基于具有独立完整的控制系统的。这种方式的优点在于方便用户根据自身专业产品线对PLC 多样化的产品进行调整，应用于实际工业生产。
　　2.2.1 数控机床PLC 技术功能的实现
　　由于篇幅限制，我们在本文中以T 功能的实现为例来进行讲解。数控机床中T 功能的实现，主要是基于刀具来进行甄选。数控系统会通过T 代码传输给PLC，PLC 经过相关程序编译该指令或代码来进行相关信息和内容的检索，进而找到与T 代码相吻合的刀号，并将这一刀号与实际生产过程中所使用的进行分析和比较。如果符合则可以直接使用，否则则需要反馈给PLC 刀号更换的命令。一旦该指令发出，则I/O 口会更改为高电平。数控机床的操作人员可以通过接入编程控制器来进行刀号更换命令的实现，比如在检测到触点后，进行换刀的电机的旋转，将放置刀架进行下落操作，当压紧力达到一定水平时便可以结束。主要是利用换刀电机来进行指令的操作和完成[4]。
　　2.2.2 PLC 在数控机床故障诊断中实际应用
　　随着先进控制系统和自动化技术水平的提高，数控机床PLC 的应用也越来越广泛，先进的可编程逻辑控制器的自我诊断功能已经趋于完善，并被广泛应用与大型制造型企业中。
　　当数控机床在生产操作过程中突发故障时，PLC 控制器会根据连锁信号装置发出报警信号，并将报警信息显示在CRI 之上，此时工作人员就可以对连锁信息故障的具体地点和可能原因及时分析，从而根据数控系统控制方法找到解决问题的方法。PLC 应用于数控机床故障诊断的要点包括以下几个方面：（1）根据数控机床本身的结构原理弄清各部件检测开关的具体安装位置（如数控机床的的刀库、刀架、液压装置、手动机械装置、各种型号的压力开关等），同时要明确相应的C 信号的具体标记；（2）明确机床实际操作过程中各执行动作的先后顺序，以及控制机床各个动作执行相对应的PLC 标识；（3）要掌握各种操作工况下相应条件标识，比如开停车及正常运转过程中的电机启动、电气动信号停滞、连锁开关阀门的紧闭和松开以及相应的限位信号等。
　　工作人员可以根据相应PLC 梯形图的变化，及时掌握机床的故障运行状态，根据不同的故障反馈信息，及时对数控机床故障进行相关处理诊断[5]。
　　3 结语
　　数控机床加工是较为复杂的过程，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使用方法等。在实际工业生产中，PLC 的先进控制直接决定了数控机床设备是否正常运转和工业零部件的生产效率。因此，全面完善数控机床系统功能，提高工业生产过程数控机床PLC 系统的精确性、整体性和高效性，对数控机床进行相关故障的检测诊断和故障维修，从而提高企业的生产效率和竞争力，使企业在新世纪科学发展化的大潮中立于不败之地。
　　参考文献：
　　[1] 曹庆泽. PLC技术及其在数控机床中的应用[J].科技传播,2012(10):132-133
　　[2] 周荃.浅谈PLC 在数控机床控制系统中的应用[J].山东纺织经济,2009(2):130-131
　　[3] 周维华. PLC 在数控机床上的应用研究[J]. 经营管理者,2010(4):298
　　[4] 邓昌奇，熊德琴. PLC 在数控机床控制系统的应用与开发[J].制造业自动化,2009(11):108-110
　　[5] 朱楠. 浅谈PLC
　　
　　

李小路

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