PLC在數控機床控制系統的應用

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摘要：plc是專門應用于工業環境設計的電子數字計算系統操作，并在設計和制造過程中采取了多層次的軟硬件抗干擾措施。簡述了嵌入式PLC應用技術，分析了數控機床的信息交換內容，介紹了PLC的故障檢測功能，并研究了PLC在數控機床故障處理中的應用情況，以期為相關從業人員提供參考。

關鍵詞：PLC；數控機床；電氣控制系統；應用

現代系統基本上是集數控機床數控技術、PLC、電氣控制技術于一體的機電設備。在數控機床中，控制系統除了對每個軸的位置進行連續控制外，還需要對主軸的啟動，以及停車、換向、換刀、松開工件夾緊、液壓、冷卻、潤滑系統操作等進行控制。前者采用“數字控制”，如x、y、z軸運動距離的每個軸插補[1]；后者采用“順序控制”的方法對內部數控機床和機床進行限位開關、控制開關、傳感器、按鈕、繼電器等信號狀態條件和按照預定的邏輯順序，對主軸、刀庫和換刀機器人、工件夾緊釋放、托盤、空氣液壓系統、潤滑系統等輔助冷卻控制動作。“可編程序控制器”的信息主要是開關信號，該類數控任務的信號可以獨立或內置在PLC（可編程序控制器）中完成，是一種專用的可編程序數控機床控制器，具有控制功能強大、響應快、結構緊湊、可靠穩定等優點。PLC采用軟件實現用戶控制邏輯，更加容易加載機器內部或電氣箱，便于實現機電一體化操作，實現復雜的控制邏輯和操控數控機床[2]。

1嵌入式PLC應用技術簡介

1.1嵌入式PLC技術的優勢

嵌入式軟PLC技術是嵌入式系統與軟PLC技術的完美結合，分別繼承了軟PLC技術和嵌入式系統的優勢，避免了傳統PLC大容量、價格高的缺點。其不僅保證了系統的兼容性和實時性，還保證了數控機床控制系統的速度和可靠性，有效地實現了機器軌跡自動控制和開關量邏輯控制，提高了數控系統的整體性能。其具體優點是：嵌入式軟PLC系統指令集比傳統PLC指令集更豐富，可以方便用戶編寫工業控制程序；嵌入式軟PLC系統具有開放式硬件系統結構，用戶可以自由選擇硬件以滿足控制系統的要求；嵌入式軟PLC技術基于IEC61131-13標準語言，編程方便，大大縮短了產品開發周期，調試維護更方便。

1.2嵌入式PLC技術的架構

數控機床中的PLC有兩種形式，分別是內置式和獨立式。內置式PLC屬于數控設備，PLC與數控設備之間的信號傳輸到數控設備上。PLC和CNC機床之間通過CNC輸入/輸出接口電路進行信號傳輸；獨立式PLC也稱為外部或通用PLC。在數控機床上，獨立式PLC獨立于數控裝置，具有硬件結構和軟件功能，可以獨立完成控制。數控機床在PLC系統的設計和數控系統的設計是密不可分的，機床數控系統一般是采用或提供PLC的功能。數控機床采用多種開關控制機床的運動，包括控制開關、跳閘開關、閉合開關、壓力開關、溫度開關等，通過各種開關信號傳給PLC，并經PLC邏輯操作后控制信號輸出到對象。PLC通過繼電器、接觸器輸出信號，液壓或氣動電磁閥控制刀庫機械手、旋轉中心工作臺等。PLC收集各種故障信號，將警告標志放在適當的位置，由CNC系統發出報警或報警文本信號。PLC是通過數控系統（CNC）與機床（MT）之間的通信，即PLC與CNC、PLC與MT之間的信息交換，實現開關控制的數控機床（MT）[3]。其架構如下頁圖1所示。

2數控機床的信息交換

數控機床的信息交換如下頁圖2所示，主要包括以下四個部分。

2.1MT至PLC的轉換部分

主要是各種開關、按鈕和機器操作員面板上的信息，包括機器啟停、工作方式、速度、主軸正反轉和停止切削液、開閉、卡盤和松開、各坐標點控制、ATC指令、行程限制、主軸伺服保護監控信號等。開關信號機一側可通過PLC輸入界面的開關進入PLC，圖2中的X信號除少量信號外，絕大多數信號的含義和PLC占用的地址可由PLC程序設計來確定[4]。

2.2PLC至MT的轉換部分

PLC以機床信號控制機床執行機構，如電磁閥、繼電器、接觸器，并確保機床各運動部件的信號和故障指示器等。信號PLC控制機器是通過PLC開關輸出接口傳送到MT，圖2中的Y信號通過所有開關輸出信號和PLC地址的進行占用，可以通過PLC程序設計來定義。

2.3CNC至PLC的轉換部分

主要是指函數代碼m、s、t、f等[5]，其中s功能通過PLC轉換輸出主軸的速度控制指令實現；t功能通過PLC刀具庫實現管理，用于自動換刀；m功能依靠m代碼控制主軸、倒車或停車、主軸齒輪箱速度的換檔、切削液的開合、卡盤夾緊、松開換刀機械手和加工中心刀具等動作實現；f功能完成輸出軸的進給速度，由PLC伺服系統控制。數控到PLC的信息是可用的（對于數控側），通過開關作輸出信號，也可以直接交付給PLC寄存器，F信號在圖2中全部顯示對數控系統PLC信號的含義和地址（開關地址和寄存器地址）已由數控制造商確定，PLC程序員可以使用，但不能更改或刪除。

2.4PLC至CNC的轉換部分

PLC到CNC的信息主要是m、s、t、f功能響應信號和軸的參考信號，機床運動部件狀態和故障信息。PLC由數控信息完成切換輸入信號，G信號在圖2中代表所有PLC到數控信號的含義和地址（切換地址和寄存器地址）都已由數控制造商確定，PLC程序員可以使用，但不能更改或刪除。數控機床與PLC功能之間的信息交換方式各不相同，但其最基本的功能是CNC將需要實現的m、s、t、f函數代碼發送給PLC，然后PLC控制完成相應的動作，PLC信號流程圖如圖3所示。

3PLC的故障檢測功能

由于PLC具有較高的可靠性，因此PLC控制系統中的大部分故障并非來自PLC本身，而是由外部元件的故障引起的。一旦系統檢測到部件故障，不僅具有聲光報警功能，而且可以立即顯示故障代碼，使用戶能夠快速判斷故障原因。PLC程序不僅可以檢測每一個故障，并且顯示自動判斷最關鍵的初始故障。下頁圖4是一個以3個故障檢測為例的梯形圖。該程序由3個故障檢測器組成，分別是R500.0、R510.0、R520.0；3個初始故障檢測器分別是R500.2、R510.2、R520.2；F149.1是一個系統復位信號。初始狀態，無報警，故障檢測為“0”，復位信號F149.1為“0”。

4PLC在數控機床故障處理中的應用

PLC故障檢測機制是通過運行機床制造商特定的PLC準備，根據各種輸入輸出邏輯狀態來確定是否檢測到故障，在報警信息上顯示。通過分析PLC的梯形故障診斷，利用數控系統梯形圖顯示機外部程序員或在線跟蹤梯形運行，可以提高故障診斷的速度和準確性。數控機床采用PLC故障診斷的方法和程序如下：通過PLC接入機器提供故障排除手冊，找到相應的PLC程序模塊號（如PB、FB、SB等）和相應的報警點（如輸入、輸出、標志、定時器等）。該數字或查找報警模塊提供了查找PLC程序的工具，查找塊和所有影響報警塊信號狀態的點。通過選擇診斷功能的操作，可以讀取實時操作所需數量的信號狀態。然后將實時狀態與標準狀態進行比較，如果點不同，則進行失敗點的搜索。通過與故障部件對應的電路圖找出故障點，調整或更換故障部件，以排除故障。

5結語

隨著自動化技術的發展，PLC的結構和性能也在不斷改進，使用范圍迅速擴大。從整體結構到小型模塊化結構的發展，增加了PLC配置的靈活性，使得PLC的計算、數據處理、圖形顯示、網絡通信等功能大大增強，PLC編程和編程工具也在不斷向標準化和高級化方向發展，因此也可以更廣泛地應用于數控機床，使控制中心的控制更加靈活和可靠。

參考文獻

[1]趙清亮，郭兵.微結構光學功能元件模具的超精密磨削加工技術[J].機械工程學報，2011，47（21）：177-185.

[2]楊輝，張彬，張利鵬.微結構功能表面的應用及制造[J].航空精密制造技術，2015（5）：1-6；19.

[3]畢果，孫郅佶.超精密切削加工表面粗糙度影響因素的實驗[J].光學精密工程，2015，23（10）：266-271.

[4]周濟.智能制造———“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[5]蔡銳龍，李曉棟，錢思思.國內外數控系統技術研究現狀與發展趨勢[J].機械科學與技術，2016，35（4）：493-500.

作者：李昊 單位：山西大學電力與建筑學院