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(zhǎng)。數(shù)控產(chǎn)業(yè)是一個(gè)國(guó)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(duì)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10年來(lái), 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(guò)90 %。我國(guó)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1 但是對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō),他們不一定需要高檔機(jī)床, 只要中低檔就可以了, 對(duì)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(guó)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(kāi)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?gòu)?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)、CNC 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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中CNC 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。

　　從控制要求上來(lái)看, 數(shù)控銑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(guò)控制接觸器來(lái)控制變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器從而達(dá)到主控的目的。輔助控制通過(guò)把PLC 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CNC 控制器發(fā)出的M、T 等功能通過(guò)PLC程序解釋來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能, 還需要實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)功能, 包括外部故障檢測(cè)和PLC 自診斷。PLC 輸入端口與變頻器、CNC 控制器的故障信號(hào)輸出口相連, 并且PLC 能檢測(cè)包括機(jī)床的行程開(kāi)關(guān)在內(nèi)的其他部件的狀態(tài), 根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)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(cè)、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(rùn)滑油泵等輔助控制功能。

圖1 　數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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(duì)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16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(duì)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(cè)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(guò)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(kāi)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(cè)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(wèn)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)斷優(yōu)先的原則, 既控制信號(hào)中只要有強(qiáng)電關(guān)斷的信號(hào), 則不管其他信號(hào)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(hào)X2=1, 則無(wú)論啟動(dòng)信號(hào)狀態(tài)如何, 中間繼電器M200 都被關(guān)斷, 只有X2=0時(shí), 啟動(dòng)信號(hào)X1=1才可以啟動(dòng)M200 , 同時(shí)通過(guò)常開(kāi)觸點(diǎn)M200自鎖, 在X1 = 0 以后, M200 仍為保持狀態(tài)。

圖2

　　(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(hào), 分別串入M200和M210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(jiàn)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。

圖3

　(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(kāi)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)。

圖4

　　影響PLC控制系統(tǒng)可靠性的因素很多, 但是只要我們?cè)谶M(jìn)行軟件開(kāi)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(shuō)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(guó)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(kāi)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。