計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床根據(jù)具體應(yīng)用場合和加工方式的不同,其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的。 從總體結(jié)構(gòu)上看,是由機(jī)床床身、CNC 系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行電機(jī)、輔助裝置、控制電路和接口等組成,這些部分相互分工、相互協(xié)調(diào)共同完成一定的加工要求。數(shù)控機(jī)床上有兩類基本的控制功能:一類是實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)工件各坐標(biāo)軸幾何運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)字控制,這個(gè)任務(wù)是由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置來完成。 另一類是機(jī)床相關(guān)開關(guān)量信號(hào)的順序控制以及各坐標(biāo)軸的啟停、更換刀具、開閉冷卻液等輔助功能的控制,這類開關(guān)量控制信息現(xiàn)在一般由PLC(可編程邏輯控制器) 來完成的。 PLC具有面向用戶指令和專用于存儲(chǔ)用戶程序的存貯器,適用于控制對(duì)象動(dòng)作復(fù)雜,控制邏輯需要靈活變更的場合。PLC能與編程器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備連接,可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存儲(chǔ)和傳送等操作,而上位機(jī)將這兩類控制信息進(jìn)行協(xié)調(diào)處理,實(shí)現(xiàn)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)和工作。 所有這些都要求必須對(duì)數(shù)控機(jī)床的整個(gè)控制邏輯有透徹的理解和分析,才能順利地利用現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(運(yùn)動(dòng)控制器)開發(fā)新的數(shù)控機(jī)床或改造已有的數(shù)控機(jī)床。

1 PLC 簡介及工作原理

　　PLC 是以微處理器技術(shù)為基礎(chǔ),綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通訊技術(shù)的一種新型工業(yè)控制裝置。 具有可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn),其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 PLC雖具有微機(jī)的許多特點(diǎn),但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。 微機(jī)一般采用等待命令的工作方式,PLC 則采用循環(huán)掃描工作方式,如圖1 所示。對(duì)每個(gè)程序,CPU 從第一條指令開始執(zhí)行,直至遇到結(jié)束符后又返回第一條,如此周而復(fù)始不斷循環(huán),每一個(gè)循環(huán)成為一個(gè)掃描周期。 這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下,順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài),按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理,然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。 其工作過程如圖2 所示。 順序循環(huán)掃描工作方式簡單直觀,簡化了程序設(shè)計(jì),并為PLC 可靠性運(yùn)行提供了有利的保證,有的場合也加入中斷方式來中斷其當(dāng)前工作過程。

圖1 　PLC 的循環(huán)掃描工作方式

圖2 　PLC 的控制結(jié)構(gòu)圖

2 PLC 在數(shù)控機(jī)床上的硬件結(jié)構(gòu)

　　機(jī)床電氣系統(tǒng)是控制機(jī)床各部分的工作、協(xié)調(diào)完成機(jī)床加工任務(wù)的核心部分。 它由大量繼電器構(gòu)成復(fù)雜的邏輯控制電路,通過接受由控制面板及機(jī)床各部分位置開關(guān)傳來的信號(hào)并經(jīng)硬件邏輯運(yùn)算,確定并控制機(jī)床的狀態(tài)。 機(jī)床控制框圖如圖3所示。

圖3 　PLC 的控制結(jié)構(gòu)圖

　　PLC 是CNC 系統(tǒng)與外設(shè)協(xié)調(diào)工作的一個(gè)重要接口,它根據(jù)系統(tǒng)要求傳遞信息,接受機(jī)床操作指令,監(jiān)控機(jī)床的狀態(tài),并根據(jù)這些輸入信息運(yùn)行事先編制好的機(jī)床動(dòng)作邏輯程序,通過輸出口直接驅(qū)動(dòng)電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

　　數(shù)控機(jī)床的繼電器控制邏輯主要是用于控制各坐標(biāo)軸正常運(yùn)動(dòng)前及運(yùn)動(dòng)過程中所必須達(dá)到的條件和狀態(tài)、各種保護(hù)和報(bào)警處理。數(shù)控系統(tǒng)基本信號(hào)的處理:

　　1)NC操作面板,監(jiān)控NC系統(tǒng)的信號(hào),監(jiān)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào),各坐標(biāo)軸限位信號(hào),各坐標(biāo)軸回原點(diǎn)信號(hào)。

　　2)控制電力輸出,提供機(jī)床各部件的電力供給。

　　3)機(jī)床潤滑系統(tǒng),PLC程序通過對(duì)時(shí)間的設(shè)定,采用定時(shí)潤滑的方式提供潤滑系統(tǒng)的正常工作,使油泵電機(jī)既不用始終處于工作狀態(tài),又能保持潤滑流暢。 同時(shí)監(jiān)控潤滑泵故障等。

　　4)機(jī)床安全保護(hù)和診斷系統(tǒng),無論對(duì)任何機(jī)人員的人身安全,又要在故障出現(xiàn)時(shí)避免設(shè)備受損。 PLC 程序中的安全保護(hù)功能如下:急停時(shí),機(jī)床所有動(dòng)作立即停止;垂直軸在伺服給電后抱閘松開,斷電后閉合;對(duì)手動(dòng)和自動(dòng)操作方式采用互鎖;執(zhí)行部件的自身保護(hù)及其之間的互鎖。 整個(gè)CNC 系統(tǒng)可對(duì)其他各部分的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)有故障發(fā)生時(shí),系統(tǒng)除對(duì)相應(yīng)部分進(jìn)行保護(hù)外,并可自我診斷,在顯示器上顯示報(bào)警信息。

　　所開發(fā)的數(shù)控機(jī)床共有6 套伺服電機(jī)。 根據(jù)機(jī)床輸入/ 輸出點(diǎn)的多少,并考慮發(fā)展需要,選擇了松下FP1 的C72 + E24 ,共用+ 24 V ,輸入端41個(gè), + 24 V 輸出端16 個(gè)。 在輸出方面,由于PLC只有直流24 V 輸出,輸出電流為1 A。 為驅(qū)動(dòng)交流220 V 接觸器及較大的直流24 V 負(fù)載,交流負(fù)載通過PLC 輸出驅(qū)動(dòng)繼電器,用中間繼電器驅(qū)動(dòng)交流接觸器。 直流負(fù)載采用直流24 V 繼電器中間驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。 保證系統(tǒng)可靠工作。

3 PLC 控制程序的開發(fā)

　　3.1 　PLC軟件結(jié)構(gòu)

　　在確定了硬件結(jié)構(gòu)后,根據(jù)對(duì)機(jī)床功能的要求,開發(fā)編制了PLC 軟件,整個(gè)控制軟件從功能上可分成四個(gè)程序模塊:上電啟動(dòng)模塊,手動(dòng)模塊,自動(dòng)模塊,報(bào)警處理模塊。 如圖4 所示。

圖4 　PLC 梯形圖的總體結(jié)構(gòu)圖

　　繼電器控制邏輯可以用流程圖來表達(dá)。 如果一個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)超程,壓下限位而引起急停,伺服系統(tǒng)使能關(guān)閉。 此急停的復(fù)位條件是超程解除,才能恢復(fù)伺服系統(tǒng)使能,這種問題的解決往往依靠兩個(gè)以上條件的滿足,所以機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的安全性得到滿足。 上電啟動(dòng)模塊:作為系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件,它主要指系統(tǒng)主電路及PLC輸出是否已經(jīng)上電,各個(gè)電機(jī)接觸器的保護(hù)繼電器是否過熱,各坐標(biāo)軸的當(dāng)前位置是否超程等。 同時(shí)需要把PLC 輸出點(diǎn)及一些能夠反映運(yùn)行信息的中間繼電器輸出通過RS2232 傳遞到上位機(jī),作為系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)反饋。

　　上電啟動(dòng)模塊完成后,即系統(tǒng)啟動(dòng)條件完全具備,即可判斷操作者選用什么操作方式,即選用手動(dòng)方式、自動(dòng)方式還是MDI 方式。 進(jìn)入不同的操作方式需要一定的初始條件,而且各個(gè)方式之間還需要有互鎖。

　　手動(dòng)模塊:用于執(zhí)行機(jī)床操作面板上的相應(yīng)控制功能。 比如坐標(biāo)軸選擇、倍率選擇、回原點(diǎn)、JOG+ 、JOG- 和壓限后的超程解除等。自動(dòng)模塊:保證加工程序正常運(yùn)行的相應(yīng)功能。 如循環(huán)啟動(dòng)、循環(huán)停止等。

　　報(bào)警處理模塊:對(duì)機(jī)床故障信號(hào)的處理,包括個(gè)坐標(biāo)軸限位、伺服系統(tǒng)故障、主軸潤滑報(bào)警,還有一些緊急情況的急停等。 當(dāng)報(bào)警產(chǎn)生時(shí),根據(jù)不同情況采取相應(yīng)措施,并在顯示器上給出產(chǎn)生報(bào)警的相關(guān)原因,以便進(jìn)行下一步操作。

　　3.2 PLC軟件的開發(fā)

　　數(shù)控機(jī)床的啟動(dòng)程序是數(shù)控機(jī)床正常工作的第一步,也是軟件開發(fā)中最重要的一部分,它用來實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)上電到各坐標(biāo)軸伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服使能的一段過程,包括油泵啟動(dòng)、各軸準(zhǔn)備條件、限位等條件。 在這段過程中只有所有條件都滿足的情況下,各軸伺服才能使能。 這一過程的流程圖如圖5所示。

圖5 　數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)過程流程圖

　　啟動(dòng)程序的完善與否關(guān)系到機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)能否正常及安全進(jìn)行。 本機(jī)床PLC 程序的開發(fā)具有一的代表性。 具體過程如下:系統(tǒng)上電,首先檢測急停按鈕是否按下,若正常啟動(dòng)油泵電機(jī),延時(shí)5 s后伺服主電源上電,延時(shí)5 s 是為了使主軸變速箱能夠提前得到充分的潤滑。 伺服電源上電后檢測各軸的伺服是否準(zhǔn)備好,并將此作為一個(gè)判斷條件處理。 若一切正常,繼續(xù)檢測各坐標(biāo)軸的限位開關(guān)是否有壓下的,此處也作一個(gè)判斷條件來處理。 如有坐標(biāo)軸處于壓限狀態(tài),機(jī)床的操作面板及CNC 的MMI (人機(jī)界面) 同時(shí)有報(bào)警信息顯示,可通過手動(dòng)操作來消除。 在以上的條件都滿足的情況下,各坐標(biāo)軸的伺服使能有效。 同時(shí),垂直軸的抱閘開關(guān)失電放開。 這樣機(jī)床就處于隨時(shí)準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下。 梯形圖如圖6 所示。

圖6 　數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)狀態(tài)梯形圖

4 結(jié)　論

　　在開發(fā)非標(biāo)數(shù)控機(jī)床的過程中,通過采用多軸運(yùn)動(dòng)控制器和外置可編程控制器構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng),具有編程方便、使用調(diào)度靈活、性能可靠、運(yùn)行安全等優(yōu)點(diǎn)。 相比傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng),簡化了機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),系統(tǒng)的可重構(gòu)性和可靠性大為提高。