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    摘要：提出了PLC與伺服系統(tǒng)在數控車床的模擬量、數字量控制和位置控制中的綜合應用，本文介紹了PLC在數控車床中的應用前景，對車床的運動軌跡進行了討論，詳細闡述了機床控制系統(tǒng)軟硬件設計，使機床在加工中精度得以保證。

1引言

    PLC用于通用設備的自動控制，稱為可編程控制器。PLC用于數控機床的外圍輔助電氣的控制，稱為可編程序機床控制器。近年來，PLC在工業(yè)自動控制領域應用越來越廣，它在控制性能，組機周期和硬件成本等方面所表現出的·綜合優(yōu)勢是其他工控產品難以比擬的。隨著PLC技術的發(fā)展，它在位置控制，過程控制，數據處理等方面的應用越來越多。在FANUC數控系統(tǒng)中將其稱之為PMC（programmablemachinetoolcontroller）。數控系統(tǒng)有兩大部分，一是NC、二是PLC，這兩者在數控機床所起的作用范圍是不相同的?？梢赃@樣來劃分NC和PLC的作用范圍：

    1、實現刀具相對于工件各坐標軸幾何運動規(guī)律的數字控制。這個任務是由NC來完成；

    2、機床輔助設備的控制是由PLC來完成。它是在數控機床運行過程中，根據CNC內部標志以及機床的各控制開關、檢測元件、運行部件的狀態(tài)，按照程序設定的控制邏輯對諸如刀庫運動、換刀機構、冷卻液等的運行進行控制。

    在數控機床中這兩種控制任務，是密不可分的，它們按照上面的原則進行了分工，同時也按照一定的方式進行連接。NC和PLC的接口方式遵循國際標準“ISSO4336-1981(E)機床數字控制－數控裝置和數控機床電氣設備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，接口分為四種類型：

    1、與驅動命令有關的連接電路；

    2、數控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器間的連接電路；

    3、電源及保護電路；

    4、通斷信號及代碼信號連接電路；

    從接口分類的標準來看，第一類、第二類連接電路傳送的是數控裝置與伺服單元、伺服電機、位置檢測以及數據檢測裝置之間控制信息。第三類是由數控機床強電電路中的電源控制控制電路構成。通常由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護開關、繼電器、接觸器等等構成。為其他電機、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件供電。這些相對于數控系統(tǒng)來講，屬于強電回路。這些強電回路是不能夠和控制系統(tǒng)的弱電回路，直接相連接的，只能夠通過中間繼電器等電子元器件轉換成直流低壓下工作的開關信號，才能夠成為PLC或繼電器邏輯控制電路的可接受的電信號。反之，PLC或繼電器邏輯控制來的控制信號，也必須經過中間繼電器或轉換電路變成能連接到強電線路的信號，再由強電回路驅動執(zhí)行元件工作。第四類信號是數控裝置向外部傳送的輸入輸出控制信號。

    數控技術和數控裝備是制造工業(yè)現代化的重要基礎，這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發(fā)展和綜合國力，關系到一個國家的戰(zhàn)略地位，因此，世界各工業(yè)發(fā)達國家均采取各種措施來改進和完善自己的數控技術及其產業(yè)。作為制造業(yè)中最具廣泛代表性的車床，越來越被人們所重視，由于傳統(tǒng)的數控車床，大多采用MCS--51單片機、步進電機及繼電線路，這種控制方式由于存在繼電器線路復雜，故障排除時間長，并存在：①單片機易受外部信號（特別是中高頻電源設備的干擾，穩(wěn)定性差）；②步進電機由于是開環(huán)控制，加工精度離散性大，存在著累積誤差；③繼電線路存在著滯后現象。針對上述問題，在保證加工精度要求的前提下，充分利用現代控制技術來實現數控車床的精確控制。

2PLC在數控機床中的應用形式

    數控機床中所用的PLC可分為兩類：一類是專為實現數控機床順序控制而設計制造的內裝型PLC（built-inType），另一類是那些輸入輸出技術規(guī)范，輸入輸出點數、程序存儲容量以及運算和控制功能等均能滿足數控機床控制要求的獨立型PLC（Stand-aloneType）。

    內裝式PLC也稱集成式PLC，采用這種方式的數控系統(tǒng)，在設計之初就將NC和PLC結合起來考慮，NC和PLC之間的信號傳遞是在內部總線的基礎上進行的，因而有較高的較高交換速度和較寬的信息通道。它們可以共用一個CPU也可以是單獨的CPU這種結構從軟硬件整體上考慮,PLC和NC之間沒有多余的導線連接,增加了系統(tǒng)的可靠性,而且NC和PLC之間易實現許多高級功能。PLC中的信息也能通過CNC的顯示器顯示,這種方式對于系統(tǒng)的使用具有較大的優(yōu)勢。高檔次的數控系統(tǒng)一般都采用這種形式的PLC。

2.1內裝型PLC的特點

    （1）內裝型PLC實際上是CNC裝置帶有的PLC功能，一般是作為一種基本的或可選擇的功能提供給用戶。

    （2）內裝型PLC的性能指標（如：輸入／輸出點數，程序最大步數，每步執(zhí)行時間、程序掃描周期、功能指令數目等）是根據所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機床的類型等確定的。其硬件和軟件部分是被作為CNC系統(tǒng)的基本功能或附加功能與CNC系統(tǒng)其他功能一起統(tǒng)一設計、制造的。因此，系統(tǒng)硬件和軟件整體結構十分緊湊，且PLC所具有的功能針對性強，技術指標亦較合理、實用，尤其適用于單機數控設備的應用場合。

    （3）在系統(tǒng)的具體結構上，內裝型PLC可與CNC共用CPU，也可以單獨使用一個CPU；硬件控制電路可與CNC其他電路制作在同一塊印刷板上，也可以單獨制成一塊附加板，當CNC裝置需要附加PLC功能時，再將此附加板插裝到CNC裝置上，內裝PLC一般不單獨配置輸入／輸出接口電路，而是使用CNC系統(tǒng)本身的輸入／輸出電路；PLC控制電路及部分輸入／輸出電路（一般為輸入電路）所用電源由CNC裝置提供，不需另備電源。

    （4）采用內裝型PLC結構，CNC系統(tǒng)可以具有某些高級的控制功能。如：梯形圖編輯和傳送功能，在CNC內部直接處理NC窗口的大量信息等。

    自70年代末以來，世界上著名的CNC廠家在其生產的CNC產品中，大多開發(fā)了內裝型PLC功能。隨著大規(guī)模集成電路的開發(fā)利用，帶與不帶PLC功能，CNC裝置的外形尺寸已沒有明顯的變化。一般來說，采用內裝型PLC省去了PLC與NC間的連線，又具有結構緊湊、可靠性好、安裝和操作方便等優(yōu)點，和在擁有CNC裝置后，又去另外配購一臺通用型PLC作控制器的情況相比較，無論在技術上還是經濟上對用戶來說都是有利的。

    國內常見的外國公司生產的帶有內裝型PLC的系統(tǒng)有：FANUC公司的FS-0（PMC-L/M），FS-0Mate（PMC-L/M），FS-3（PLC-D），FS-6（PLC-A、PLC-B），FS-10/11（PMC-1）；FS-15（PMC-N）；Siemens公司的SINUMERIK810，SINUMERIK820；A-B公司的8200，8400，8600等。

    獨立式PLC也稱外裝式PLC，它獨立于NC裝置，具有獨立完成控制功能的PLC。在采用這種應用方式式，可根據用戶自己的的特點，選用不同專業(yè)PLC廠商的產品，并且可以更為方便的對控制規(guī)模進行調整。

2.2獨立型PLC的特點

    （1）獨立型PLC具有如下基本的功能結構：CPU及其控制電路，系統(tǒng)程序存儲器，用戶程序存儲器、輸入/輸出接口電路、與編程機等外部設備通信的接口和電源等。

    （2）獨立型PLC一般采用積木式模塊化結構或籠式插板式結構，各功能電路多做成獨立的模塊或印刷電路插板，具有安裝方便，功能易于擴展和變更等優(yōu)點。例如，可采用通信模塊與外部輸入輸出設備、編程設備、上位機、下位機等進行數據交換；采用D/A模塊可以對外部伺服裝置直接進行控制；采用計數模塊可以對加工工件數量、刀具使用次數、回轉體回轉分度數等進行檢測和控制，采用定位模塊可以直接對諸如刀庫、轉臺、直線運動軸等機械運動部件或裝置進行控制。

    （3）獨立型PLC的輸入、輸出點數可以通過I/O模塊或插板的增減靈活配置。有的獨立型PLC還可通過多個遠程終端連接器構成有大量輸入、輸出點的網絡，以實現大范圍的集中控制。

    在獨立型PLC中，那些專為用于FMS、FA而開發(fā)的獨立型PLC具有強大的數據處理、通信和診斷功能，主要用作“單元控制器”，是現代自動化生產制造系統(tǒng)重要的控制裝置。獨立型PLC也用于單機控制。國外有些數控機床制造廠家，或是為了展示自己長期形成的技術特色，或是為了保守某些技術絕竅，或純粹是因管理上的需要，在購進的CNC系統(tǒng)中，舍棄了PLC功能，而采用外購或自行開發(fā)的獨立型PLC作控制器，這種情況在從日本、歐美引進的數控機床中屢見不鮮。

    國內已引進應用的獨立型PLC有：Siemens公司的SIMATICS5系列產品；A-B公司的PLC系列產品；FANUC公司的PMC-J等。

3PLC與數控系統(tǒng)及數控機床間的信息交換

    相對于PLC，機床和NC就是外部。PLC與機床以及NC之間的信息交換，對于PLC的功能發(fā)揮，是非常重要的。PLC與外部的信息交換，通常有四個部分：

    （1）機床側至PLC：機床側的開關量信號通過I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數信號外，絕大多數信號的含義及所配置的輸入地址，均可由PLC程序編制者或者是程序使用者自行定義。數控機床生產廠家可以方便的根據機床的功能和配置，對PLC程序和地址分配進行修改。

    （2）PLC至機床：PLC的控制信號通過PLC的輸出接口送到機床側，所有輸出信號的含義和輸出地址也是由PLC程序編制者或者是使用者自行定義。

    （3）CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信號含義和地址(開關量地址或寄存器地址)均由CNC廠家確定,PLC編程者只可使用不可改變和增刪。如數控指令的M、S、T功能,通過CNC譯碼后直接送入PLC相應的寄存器中。

    （4）PLC至CNC:PLC送至CNC的信息也由開關量信號或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信號地址與含義由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用,不可改變和增刪。

4PLC在數控機床中的工作流程

    PLC在數控機床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分為以下幾個步驟：

    （1）輸入采樣：輸入采樣，就是PLC以順序掃描的方式讀入所有輸入端口的信號狀態(tài)，并將此狀態(tài)，讀入到輸入映象寄存器中。當然，在程序運行周期中這些信號狀態(tài)是不會變化的，除非一個新的掃描周期的到來，并且原來端口信號狀態(tài)已經改變，讀到輸入映象寄存器的信號狀態(tài)才會發(fā)生變化。

    （2）程序執(zhí)行：程序執(zhí)行階段系統(tǒng)會對程序進行特定順序的掃描，并且同時讀入輸入映像寄存區(qū)、輸出映像寄存區(qū)的讀取相關數據，在進行相關運算后，將運算結果存入輸出映像寄存區(qū)供輸出和下次運行使用。

    （3）出刷新階段：在所指令執(zhí)行完成后，輸出映像寄存區(qū)的所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉存到輸出鎖存器中，通過特定方式輸出，驅動外部負載。

5PLC在數控機床中的控制功能

    （1）操作面板的控制。操作面板分為系統(tǒng)操作面板和機床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號先是進入NC，然后由NC送到PLC，控制數控機床的運行。機床操作面板控制信號，直接進入PLC，控制機床的運行。

    （2）機床外部開關輸入信號。將機床側的開關信號輸入到送入PLC，進行邏輯運算。這些開關信號，包括很多檢測元件信號(如：行程開關、接近開關、模式選擇開關等等)

    （3）輸出信號控制：PLC輸出信號經外圍控制電路中的繼電器、接觸器、電磁閥等輸出給控制對象。

    （4）功能實現。系統(tǒng)送出T指令給PLC，經過譯碼，在數據表內檢索，找到T代碼指定的刀號，并與主軸刀號進行比較。如果不符，發(fā)出換刀指令，刀具換刀，換刀完成后，系統(tǒng)發(fā)出完成信號。

    （5）M功能實現。系統(tǒng)送出M指令給PLC，經過譯碼，輸出控制信號，控制主軸正反轉和啟動停止等等。M指令完成，系統(tǒng)發(fā)出完成信號。

6PLC在機床行業(yè)的應用前景

    PLC在數控機床和非數控機床中都有使用，在數控機床中，PLC是數控機床的大腦，何時進刀，何時退刀，刀量多少，工件的加工流程及所有要控制的操作都要由PLC發(fā)出指令，機床的限位開關等機械控制部分以及液壓控制部分也會應用到PLC。通過計算機與PLC的組合，實現對刀架換刀的準確控制。

    機床行業(yè)中PLC的應用以小型PLC為主，日系PLC在小型PLC領域占有很大優(yōu)勢，因此在機床行業(yè)中日系PLC占據大部分市場份額，而三菱、西門子和ge-fanuc由于其數控系統(tǒng)在機床行業(yè)中占有優(yōu)勢，因此在機床行業(yè)中占有一席之地。機床行業(yè)中PLC品牌集中度比較高，主要集中于日系品牌（三菱、歐姆龍）和西門子，臺灣品牌臺達在其中也占有一定的市場份額，而其他的品牌主要有富士、倍福、ls、施耐德、光洋、abb和橫河等。

    機床行業(yè)在保持了最近這些年的持續(xù)高速增長之后，于今年開始出現衰退現象，特別是在受金融危機沖擊后，從7月份開始與去年同期相比都有不同程度的下降，11月份甚至下降幅度達到20.2%，如此高幅度的下降是歷年很少見的，其中普通機床的影響尤為明顯，庫存開始增加，而數控機的影響稍微少一些，從而給這個行業(yè)重新洗牌，未來機床的方向是數控化和逐步高端化，這些機床都需要使用大量PLC和運動控制器/卡來逐步取代繼電器或機械控制，使得機床的整體性能得到提升，因此從長遠來看，PLC和運動控制器/卡在機床行業(yè)的應用還是會很有潛力，在金融危機的沖擊下，用戶對PLC的性價比會越來越高，在同等價位水平下，希望PLC能夠集成更多功能，如多軸插補功能等，甚至把原來不帶有運動控制模塊的PLC轉化成帶有運動模塊，這些都是PLC廠商面對這場危機時所需要考慮的，在人人捂緊錢包的時候，只有更加高性價比的產品才能在這場危機中勝出，而對于運動控制器/卡，開放性將是其發(fā)展趨勢，不需要借助相關平臺即能實現運動控制功能。