0 引言

　　在機(jī)械制造行業(yè)日趨發(fā)展的今天，各種規(guī)模的數(shù)控加工廠越來越多。對于一個負(fù)載沉重的數(shù)控加工廠來說，數(shù)控設(shè)備的完好率已經(jīng)成為影響生產(chǎn)的重要因素。而影響數(shù)控設(shè)備完好率的主要因素出現(xiàn)在一些外圍設(shè)備上，如液壓機(jī)構(gòu)，氣壓機(jī)構(gòu)，刀庫機(jī)構(gòu)等，通過這些外圍設(shè)備的控制環(huán)節(jié)PLC為入口來分析和處理這些故障問題，是保證整個數(shù)控設(shè)備精確高效加工的重要手段。

　　PLC控制是數(shù)控系統(tǒng)控制中的重要環(huán)節(jié)。做為設(shè)備保障的技術(shù)人員，要清楚了解PLC所控制的外圍設(shè)備的工作流程，以及外圍設(shè)備之間的關(guān)系等，就必須對機(jī)床PLC的邏輯有個清楚的認(rèn)識，本文以外設(shè)計的手動換刀為例，介紹了PLC在FIDIA系統(tǒng)數(shù)控加工中心刀庫中的一些應(yīng)用。

1 PLC 概述

　　可編程控制器（PLC）是伴隨計算機(jī)技術(shù)而迅速發(fā)展、廣泛普及和應(yīng)用的新型工業(yè)自動控制裝置。它以微型計算機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中具有極大的重要性，是當(dāng)今工業(yè)自動控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。PLC采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC的邏輯控制已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制裝置，應(yīng)用于單機(jī)或者多機(jī)控制系統(tǒng)以及自動化生產(chǎn)線上。PLC的種類很多，根據(jù)數(shù)控設(shè)備PLC的運用情況，大致可以將其分為兩類：

　　整體式PLC，如OMRON公司的CPM2A,CPM1A,C40P等，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小，實現(xiàn)功能和控制規(guī)模較為固定（主要用在立體庫，回轉(zhuǎn)庫等）；

　　組合式，采用總線結(jié)構(gòu)，即在一塊總線底板上有若干個總線槽、每個總線槽上可安裝一個PLC模塊，不同模塊實現(xiàn)不同功能。PLC的CPU和存儲器模塊在總線上的安裝位置一般是固定的。其他模塊可根據(jù)PLC的控制規(guī)模、實現(xiàn)的功能等選擇安裝在總線線路上的其他地方，這種結(jié)構(gòu)的PLC特點是系統(tǒng)構(gòu)成的靈活性比較高。大量的數(shù)控機(jī)床就是這種。

2 PLC 在數(shù)控機(jī)床中的作用

　　數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)械制造系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)備。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已不僅用于切削機(jī)床，同時還用于其他機(jī)械設(shè)備，如三坐標(biāo)測量機(jī)、立體庫、工業(yè)機(jī)器人等。

　　數(shù)控機(jī)床除了要控制機(jī)床實現(xiàn)表面加工外，還要對機(jī)床實施如主軸起停、刀具更換、冷卻液開關(guān)等控制功能，這類控制都應(yīng)該遵循一定的邏輯和順序關(guān)系，通常稱為順序控制。由早期的數(shù)控機(jī)床大多采用繼電器控制線路來實現(xiàn)到現(xiàn)在的PLC控制，順序控制方法逐漸走向成熟。PLC的順序控制和NC控制構(gòu)成了現(xiàn)代大多數(shù)高檔數(shù)控機(jī)床的主要控制方式（如圖1），在控制的過程中，兩者之間既有聯(lián)系又有區(qū)別:

　?。?）NC實現(xiàn)坐標(biāo)軸幾何運動控制；包括全閉環(huán)，半閉環(huán)系統(tǒng)控制，坐標(biāo)軸僅給控制等；

　?。?）操作面板的控制。操作面板分為系統(tǒng)操作面板和機(jī)床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號先是進(jìn)入NC，然后由NC送到PLC，控制數(shù)控機(jī)床的運行,如機(jī)床人機(jī)界面。機(jī)床操作面板控制信號，直接進(jìn)入PLC，控制機(jī)床的運行,如排屑槽上的正反轉(zhuǎn)控制。

　?。?）機(jī)床外圍設(shè)備開關(guān)量輸入輸出信號控制。將機(jī)床的開關(guān)信號輸入到PLC，進(jìn)行邏輯運算。這些開關(guān)信號，包括很多檢測元件信號(如：行程開關(guān)、接近開關(guān)、模式選擇開關(guān)等等),輸入信號經(jīng)過邏輯轉(zhuǎn)換后, 輸出PLC輸出信號,這些信號經(jīng)外圍控制電路中的繼電器、接觸器、電磁閥等輸出給要控制的外圍設(shè)備。

　　（4）換刀功能實現(xiàn)。系統(tǒng)送出T指令(換刀指令)給PLC，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，在PLC程序中找到T代碼所指定的刀號，并與主軸刀號進(jìn)行比較。如果不符，發(fā)出換刀指令，刀具換刀。

　?。?）M功能實現(xiàn)。NC系統(tǒng)送出M指令給PLC，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，輸出控制信號，控制主軸松拉刀,正反轉(zhuǎn)等等。

　　由此可見,在數(shù)控機(jī)床中的兩種控制:NC控制和PLC順序控制，兩者相輔相成，不可或缺。

3 PLC 在FIDIA系統(tǒng)中的應(yīng)用特點

　　FIDIA系統(tǒng)，以較好的穩(wěn)定性和較優(yōu)的性價比，在我國的數(shù)控機(jī)床行業(yè)廣泛應(yīng)用。FIDIA系統(tǒng)所使用的編程語言AUCOL，作為意大利FIDIA公司的PLC內(nèi)置語言，編程靈活，語句量大。同時它是一種操作二進(jìn)制變量的FIDIA專門產(chǎn)品。相對于西門子，法拉克等系統(tǒng)的PLC程序編制方法的種類多樣，F(xiàn)IDIA系統(tǒng)只有語句表方式的編程方法（梯形圖方法廠家正在開發(fā)中），因此AUCOL語言分析研究具有一定的獨特性。

　　3.1 FIDIA 系統(tǒng)PLC 程序的結(jié)構(gòu)

　　對于FIDIA系統(tǒng)機(jī)床，一般而言，主要的PLC程序有：

　?。?）自動換刀程序；

　　（2）機(jī)床輔助設(shè)備控制，如潤滑、刀庫等；

　?。?）電主軸的控制程序，如電主軸的油霧潤滑，制冷等（機(jī)械主軸無此程序）。

　　每個PLC程序都是由進(jìn)程單元組成（急停檢測，液壓系統(tǒng)管理，刀具搜索的管理等），所謂進(jìn)程，是指由PLC程序員編寫的不同時單獨運行而又相互關(guān)聯(lián)的程序。各個進(jìn)程是按順序從進(jìn)程1到進(jìn)程2依序執(zhí)行下去，如果某一個進(jìn)程無效，這個進(jìn)程會被跳過直接執(zhí)行它后面的進(jìn)程。

　　進(jìn)程由變操作碼和指操作數(shù)組成。操作碼表示的是指令要完成的操作功能，操作數(shù)指變量和常量，AUCOL中的變量，以不同類型存在：

　　（1）只有CNC 用到的輸入輸出位（定義在PLCXXX.DEF中）；

　?。?）只有AUCOL用到的輸入輸出位（定義在PLCXXX.AUC中，格式：.OBIT BIT_NAME;.IBIT BIT_NAME）；

　?。?）AUCOL用到的CNC輸入輸出位；

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存位（CNC 和AUCOL 公用的，定義在PLCXXX.DEF，格式：.CNCBIT中）；

　?。?）AUCOL內(nèi)部的局部變量(格式：.MBIT BIT_NAME)，AU?COL 用到的全局變量（定義在PLCXXX.GBL 中，格式：.GMBITBIT_NAME）。

　　其中輸入信號做為反饋信息回CNC和PLC，而輸出信號被CNC和PLC用來管理特定的操作。

　　3.2 AUCOL 語言的應(yīng)用

　　這里以北京第一機(jī)床廠的XHAD7310機(jī)床外圍輔助設(shè)備程序為例，其中包含了24個進(jìn)程塊，各個進(jìn)程實現(xiàn)的功能如下表；

　　3.2.1 進(jìn)程的運行和調(diào)用

　　在整個程序中，每個進(jìn)程都可以單獨運行和結(jié)束，但是P0（急停檢測進(jìn)程）做為整個程序的入口初始化進(jìn)程，具有重要的地位，因此最好不要停止。當(dāng)所有的軟件都進(jìn)行加載后開電運行，CNC會將標(biāo)簽PINI做為初始標(biāo)簽分配到P0中，然后AUCOL程序以轉(zhuǎn)換初始標(biāo)簽的方式依次往后運行。例如：XHAD7310機(jī)床輔助設(shè)備控制程序中，先運行急停檢測主進(jìn)程P0的初始加載標(biāo)簽PINI，然后初始化各個AUCOL和CNC位，接著，此進(jìn)程塊結(jié)束加載MAN.WT標(biāo)簽進(jìn)入手動程序塊，依次調(diào)入并檢查累加器電源模塊充電啟動控制位DUSMO，電源模塊驅(qū)動使能控制位DUPCE，電源模塊脈沖使能控制位DUPPE，DRTXW2,3,4使能位DUENT等AUCOL內(nèi)存位是否為1，若為1則將其置0，然后檢查機(jī)床手動狀態(tài)監(jiān)控位，若ID24C為1（即手動監(jiān)控）則繼續(xù)檢查限位開關(guān)監(jiān)控，并在限位開關(guān)監(jiān)控為1 時調(diào)用自動程序塊標(biāo)簽AUT.WT，依次調(diào)用并運行P2,P3等除了P1外的所有進(jìn)程，最后檢查CNC內(nèi)存位。P1進(jìn)程不參與調(diào)用，其內(nèi)容為編程人員編寫的M指令，如M08,M09等。

　　由此可見，P0進(jìn)程調(diào)用了此程序中幾乎所有的子進(jìn)程和子程序，在它之后，依次是各個被調(diào)用子程序以及的進(jìn)程。

　　3.2.2 手動換刀子進(jìn)程分析研究

　　XHAD7310機(jī)床由于刀庫設(shè)計上的缺陷如：刀臂過廠且底部過重，容易產(chǎn)生刀臂變形；刀庫為獨立刀庫且地基不牢，使刀臂或者倒刀缸到主軸端的位置容易變化等等情況，在自動換刀的時候經(jīng)常由于位置不對出現(xiàn)卡死，撞頭的現(xiàn)象。對機(jī)床的損害很大，維修極不方便。因此，手動換刀成為了機(jī)床維護(hù)中的重點。

　　通過形成變量表，不僅能夠減少出錯，而且能夠利用注釋快速理順邏輯關(guān)系，還能夠迅速找到端口地址，幫助我們進(jìn)行回路檢查。

　　　　要清楚手動換刀的具體過程，以便對程序進(jìn)行完善和發(fā)展，對程序的仔細(xì)分析必不可少：

　　程序1： P15 刀臂和倒刀缸運動塊

　　P15INI: ACL MANATC ;初始加載標(biāo)簽（MANATC變量位在PLC**.DEF中定義。為CNC和AUCOL公用內(nèi)部變量）

　　IFEQ PEND ; MANATC位等于1時，執(zhí)行以下的手動操作　　ACL DISA7 ; 將DISA7調(diào)入累加器即旋開手動允許開關(guān)　　IFEQ PEND ;若手動開關(guān)等于0 則結(jié)束　　ACL DIPCS8 ;若手動開關(guān)為1，將按鍵輸入信號ATC OUT（DIPCS8見圖4）調(diào)入累加器　　IFNE LOAD P15,P15.A05 ;若按鍵DIPCS8=1（ATC OUT）時候，加載P15.A05段　　ACL DIPCS7 ;若按鍵DIPCS8 等0 時候,按鍵輸入信號　　ATC IN（DIPCS7見圖4）加載　　IFNE LOAD P15,P15.A06　　PEND　　P15.A05:ACL DIPCS8 ;ATC OUT　　IFNE PEND ;若DIPCS8按鍵等于1(ATC OUT),結(jié)束　　ACL DIQ102 ;否則將定位缸縮回開關(guān)量DIQ102 調(diào)入累加器　　IFEQ JUMP P15.A10 ;若DIQ102等于0，執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令　　ACL DIQ104 ;若DIQ102等于1，DIQ104（倒刀缸上位）與　　DIQ105非（倒刀缸下位）相與加載進(jìn)累加器　　AND DIQ105 NG　　IFEQ JUMP P15.A15 ;若相與結(jié)果為0，執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令　　BCLR DUYV10 ;若結(jié)果為1，輸出信號倒刀缸上位ATC縮回置0　　BSET DUYV09 ; 輸出信號倒刀缸下位ATC伸出=1　　JUMP P15END ;執(zhí)行完后跳到P15END塊中　　PEND　　P15.A06:ACL DIPCS7 ;ATC IN 段　　IFNE PEND ;若DIPCS7按鍵輸入信號為1，則結(jié)束　　ACL DIQ102　　IFEQ JUMP P15.A10 ;若定位缸DIQ102 位為0，則跳到　　P15.A10塊　　ACL DIQ105　　AND DIQ104 NG　　IFEQ JUMP P15.A15 ;若DIQ105 和DIQ104 非相與結(jié)果為0則跳到P15.A15塊　　BCLR DUYV09　　BSET DUYV10　　JUMP P15END　　PEND　　P15.A10:DMSG 25 ; 顯示第25 號PLC 類報警信息即“SQ103 OFF”　　JUMP P15END　　PEND　　P15.A15:DMSG 26 ;顯示26 號信息即“SQ104 OR SQ105　　ERROR”　　JUMP P15END　　PEND　　P15END: LOAD P15,P15INI ;返回P15加載初始點　　PEND 程序2： P16 換刀動作塊　　P16INI: ACL MANATC　　DISA7 ;MANATC等于1時候?qū)ⅲǖ稁焓謩釉试S開關(guān)）調(diào)入累加器　　IFEQ PEND　　ACL DIPCS6 ;旋轉(zhuǎn)按鈕按鍵位（DIPCS6見圖4）加載進(jìn)累加器　　IFNE JUMP P16.A05 ;轉(zhuǎn)到P16.A05程序塊中　　ACL DUATC ;若按鍵為0時候，將電機(jī)控制位DUATC裝進(jìn)累加器，若此控制位仍為1，馬上置0，若其為1則結(jié)束?！　FNE BCLR DUATC　　PEND　　P16.A05:ACL DUATC　　IFNE PEND ;若電機(jī)控制信號為1 那么此塊結(jié)束，　　PAUSE 5 ;否則等待5秒后將控制電機(jī)的輸出信號置1　　BSET DUATC　　PEND

　　注：DI代表外圍數(shù)字輸入，DU代表外圍數(shù)字輸出，這里，DIP代表面板上按鍵數(shù)字輸入，DUL為面板上按鍵數(shù)字輸出。

圖4 人機(jī)界面上對應(yīng)按的相關(guān)鍵輸入點

　　先將每一步的邏輯關(guān)系依次反映在結(jié)構(gòu)圖上，再分析整塊進(jìn)程要實現(xiàn)的內(nèi)容。分析中形成如上圖的流程結(jié)構(gòu)，有助于對冗長的進(jìn)程塊進(jìn)行快速的理解。

　　根據(jù)以上分析，換刀過程的步驟就明確了。結(jié)合機(jī)床在實際換刀中所處的位置，會發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場操作中，容易出現(xiàn)這樣的問題：

　?。?）當(dāng)DUYV9（倒刀缸下位刀臂伸出信號）為1時候，應(yīng)該禁止X，Y，Z軸移動，因為當(dāng)機(jī)床在伸出刀臂后和Y向機(jī)床運動方向的間隙就很小了，若此時Y向移動，會和整個刀臂發(fā)生接觸，甚至將安裝刀臂的刀庫位置抵變形，如何解決這個問題，這里，有三種可行方法：

　?、佼?dāng)DUYV9 為1 時，將AUCOL 輸出位DUSAZ，DUSAY，DUSAX（Z、Y、X控制位）置1以禁止其移動；

　?、诋?dāng)DUYV9為1時，調(diào)用CNC位MDPBL使其置1使坐標(biāo)及主軸保持；

　　③定義一個信息變量MSG31，在DUYV9位以及坐標(biāo)移動監(jiān)控位同時為1的時候?qū)SG31置1，并將MSG31寫入到P37（見表1）中將其做為產(chǎn)生急停報警的條件，便可以解決手動操作中的這種安全隱患。

　?。?）另外，在進(jìn)行手動操作前，主軸位置應(yīng)該具備什么條件，程序里面并沒有給出，只是要求內(nèi)部變量MANATC賦值為1就行，這里也出現(xiàn)了問題。因為主軸側(cè)有兩個定位鍵，如果主軸未能定位，刀臂在旋轉(zhuǎn)到主軸側(cè)裝刀的時候會和鍵發(fā)生碰撞，這是我們非常不想看到的現(xiàn)象，因此在這個操作的時候一定要先執(zhí)行主軸定位指令，如果不熟悉這段程序和實際動作，后果不堪設(shè)想。

　　總之，PLC控制是站在用戶立場，以用戶需要為出發(fā)點，以直接應(yīng)用于各種工業(yè)環(huán)境為目標(biāo)的一種邏輯控制，是一種理論與實際結(jié)合的產(chǎn)品。由于PLC出廠程序是依照理論上輸入輸出間的邏輯關(guān)系編寫而成，而實際上的機(jī)床所處的安裝條件，現(xiàn)場環(huán)境，以及操作者的操作方法等有所不同，或者是PLC本身不夠完善，都有可能造成機(jī)床故障或是機(jī)床安全隱患，對機(jī)床PLC有比較深入的研究是解決這些問題的重要條件。

4 結(jié)束語

　　目前，對可編程控制器我國正處于引進(jìn)、消化、研制的階段，普及可編程控制器技術(shù)，大力推廣其應(yīng)用是當(dāng)務(wù)之急。PLC的發(fā)展，在數(shù)控技術(shù)中的發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過對PLC程序的理解，運用邏輯思維能力逐步診斷是我們很多時候設(shè)備故障排除的基礎(chǔ)。在當(dāng)前工作中，PLC的分析研究是一個薄弱環(huán)節(jié)。不斷完善對機(jī)床的PLC的熟練程度，能有效提高設(shè)備維修人員發(fā)現(xiàn)并解決故障、了解并優(yōu)化參數(shù)等的能力，促使設(shè)備維修工作向前發(fā)展。