0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的社會(huì)需求量也日益增長。數(shù)控產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，它具有高精度、高柔性、高效率等突出優(yōu)點(diǎn)特別在小批量多品種，復(fù)雜形狀零件的自動(dòng)加工中，顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)控系統(tǒng)可以把機(jī)械加工設(shè)備的功能、效率、柔性，提高到一個(gè)新的水平，大大地改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，它是機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，對推動(dòng)機(jī)電產(chǎn)品的發(fā)展有著重要地作用。由于數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)械工業(yè)中的重要地位，世界上近1D年來，數(shù)控機(jī)床的數(shù)量增加了10余倍，日本數(shù)控機(jī)床品種已達(dá)1500多種，機(jī)床產(chǎn)品數(shù)控化率為70%，有些現(xiàn)代化機(jī)械加工車間，使用機(jī)床的數(shù)控率已超過90%。我國數(shù)控系統(tǒng)的研制還比較落后，基礎(chǔ)也比較薄弱，發(fā)展速度比較緩慢‘但是對于大多數(shù)企業(yè)來說，他們不一定需要高檔機(jī)床，只要中低檔就可以了，對這類數(shù)控系統(tǒng)還是可以自行研制的，與此同時(shí)如何提高數(shù)控系統(tǒng)的電氣控制性能和可靠性也就顯得特別重要。

　　我國傳統(tǒng)的機(jī)床控制系統(tǒng)都是采用繼電器、接觸器等硬件邏輯控制電路，不但接線復(fù)雜，而且經(jīng)常出現(xiàn)故障，可靠性比較差。與傳統(tǒng)的繼電器控制相比，PLC控制具有可靠性高、柔性好、開發(fā)周期短以及故障自診斷等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于機(jī)床的控制和故障診斷系統(tǒng)，可以減少強(qiáng)電元件數(shù)目，提高電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。

1 數(shù)控銑床的基本結(jié)構(gòu)和控制要求

　　本文所要介紹的這種數(shù)控銑床主要包括工控機(jī)、數(shù)控控制器、三個(gè)全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器、變頻器、可編程控制器PLC等幾個(gè)主要組成部分，它的簡單結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中數(shù)控控制器主要完成位置顯示、程序編制與運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置、診斷、報(bào)警和調(diào)試等功能:交流伺服驅(qū)動(dòng)器完成插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)控制即G功能，控制X、Y, Z三軸的運(yùn)行:變頻器完成主軸調(diào)速即S功能，控制主軸的轉(zhuǎn)速和方向:工控機(jī)主要用于狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、程序設(shè)置和與遠(yuǎn)程局域網(wǎng)進(jìn)行通信等;而PLC則主要完成電氣控制系統(tǒng)和故障診斷方面的一些功能。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　從控制要求上來看，數(shù)控鐵床的控制可以分為主控部分和輔助控制兩部分，主控部分主要是進(jìn)行主軸方向和轉(zhuǎn)速控制以及各個(gè)進(jìn)給軸的控制，這需要采用PLC取代繼電器進(jìn)行的強(qiáng)電控制，其輸出端口通過控制接觸器來控制變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器從而達(dá)到主控的目的。車甫助控制通過把PLfa的輸入輸出端口與數(shù)控系統(tǒng)的其他部分相連完成故障顯示和報(bào)警以及實(shí)現(xiàn)M, T等功能，即數(shù)控控制器發(fā)出的M, T等功能通過PLC程序解釋來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，還需要實(shí)現(xiàn)故障檢測功能，包括外部故障檢測和PLC自診斷。PLC輸入端口與變頻器、數(shù)控控制器的故障信號輸出口相連，并且PLC能檢測包括機(jī)床的行程開關(guān)在內(nèi)的其他部件的狀態(tài)，根據(jù)檢測到的信號進(jìn)行顯示和報(bào)警，必要時(shí)切斷強(qiáng)電電源，達(dá)到故障檢測、報(bào)警和處理故障的目的，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更安全可靠，另外還需要控制冷卻泵、潤滑油泵等輔助控制功能。

2 PLC選型及硬件電路設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床對控制系統(tǒng)和故障診斷的各項(xiàng)要求，我們選擇了日本OMRON公司的生產(chǎn)的SYSMACCPM1A型可編程控制器，該控制器具有40點(diǎn)輸入輸出口，其中輸入24點(diǎn)，輸出1b點(diǎn)它的結(jié)構(gòu)為輸入輸出一體化的組件型結(jié)構(gòu)，安裝和調(diào)試比較方便，具有比較快的輸入響應(yīng)速度，并且可以進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。

　　PLC的I/O通道分配是根據(jù)其控制對象的特點(diǎn)和控制要求，將PLC的輸入輸出口與相應(yīng)的電氣設(shè)備相連，達(dá)到控制和檢測的目的，具體的I/O分配如表所示。

3 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

　　通過RS-232C通信接口，在PC機(jī)WINDOWS 98環(huán)境下根據(jù)控制要求和PLC輸入輸出地址表便可以利用梯形圖編制控制程序，控制程序在分別控制主軸和伺服進(jìn)給主電路的主電源之后主要任務(wù)就是根據(jù)CNC控制器、變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)控制相應(yīng)的輸出端口的狀態(tài)，從而達(dá)到控制和故障報(bào)警直至采取相應(yīng)的措施消除故障，具體的梯形圖略。

　　通常PLC本身的可靠性比較高，但是PLC外接的輸入輸出元件如接觸器、光電開關(guān)等比較容易發(fā)生故障，所以在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，應(yīng)使軟件具有檢測甚至消除故障的功能，使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大提高，下面就數(shù)控銑床PLC的軟件設(shè)計(jì)中幾個(gè)問題進(jìn)行討論。

　　(1)在銑床的軟件設(shè)計(jì)中首先注意的就是強(qiáng)電關(guān)斷創(chuàng)記龍的原則，既控制信號中只要有強(qiáng)電關(guān)斷的信號，則不管其他信號的狀態(tài)如何都要關(guān)斷強(qiáng)電。如圖2所示，只要關(guān)斷信號X2=1，則無論啟動(dòng)信號狀態(tài)如何，中間繼電器M 200都被關(guān)斷，只有X2= 0時(shí)，啟動(dòng)信號X1= 1才可以啟動(dòng)M2(1D，同時(shí)通過常開觸點(diǎn)M200自鎖，在X1=0n以后，M200仍為保持狀態(tài)。

　　(2)其次要注意動(dòng)作的互鎖控制，例如主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是兩個(gè)不可能同時(shí)發(fā)生的動(dòng)作，此時(shí)一般需要采用互鎖控制?？梢圆捎肕 200和M210的常閉觸點(diǎn)為互鎖信號，分別串入M200和M21(1的控制回路中，這樣當(dāng)M200和M210當(dāng)中任何一個(gè)啟動(dòng)的先決條件就是另一個(gè)回路必須關(guān)斷(見圖3)。而任何一個(gè)回路啟動(dòng)之后又都能同時(shí)把另一個(gè)回路的控制回路關(guān)斷，從而保證兩者不可能同時(shí)動(dòng)作。

　　(3)還要注意順序聯(lián)鎖控制，在數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)控制中，有些是有嚴(yán)格的順序要求的，不能發(fā)生顛倒次序的現(xiàn)象。如圖4所示，這時(shí)可以采用聯(lián)鎖控制的方法，即選擇前一個(gè)動(dòng)作的常開觸點(diǎn)，串聯(lián)在下一個(gè)動(dòng)作的啟動(dòng)回路中，同時(shí)將后一個(gè)動(dòng)作的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在上一個(gè)動(dòng)作的關(guān)斷回路中，這樣就可以使各個(gè)動(dòng)作嚴(yán)格地按照設(shè)計(jì)好的順序執(zhí)行，大大提高了產(chǎn)品的可靠性和品質(zhì)。

　　影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的因素很多，但是只要我們在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)充分考慮到系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的防范措施。這些故障應(yīng)當(dāng)說大部分還是可以避免的，控制系統(tǒng)的運(yùn)行就會(huì)更加穩(wěn)定。

4 總結(jié)

　　本課題研制的數(shù)控銑床已經(jīng)投入試運(yùn)行，實(shí)踐證明本文所采用的OMRON可編程控制器的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)是完全可行的，在實(shí)踐中取得了較好的效果，可以滿足批量生產(chǎn)的要求，并大大提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了故障率，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。整個(gè)數(shù)控銑床的自動(dòng)化程度又進(jìn)一步得到了提高，適應(yīng)了現(xiàn)代工廠自動(dòng)化的發(fā)展。本課題所研制的數(shù)控銑床具有十分重要的創(chuàng)新意義，同時(shí)為了推廣數(shù)控技術(shù)在我國的發(fā)展，本課題組還將在浙江省科委支持下，繼續(xù)研制數(shù)控磨床和鉆床等，并且與杭州開關(guān)廠合作，進(jìn)行我省各個(gè)企業(yè)機(jī)床的改造，提高機(jī)械加工水平，從而推動(dòng)各種企業(yè)的技術(shù)改造，既有廣闊的技術(shù)前景，又有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。