0 引言

　　隨著科學技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展, 數(shù)控系統(tǒng)的社會需求量也日益增長。數(shù)控產(chǎn)業(yè)是一個國家的戰(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, 特別在小批量多品種, 復雜形狀零件的自動加工中, 顯示出巨大的優(yōu)越性。數(shù)控系統(tǒng)可以把機械加工設(shè)備的功能、效率、柔性, 提高到一個新的水平, 大大地改善產(chǎn)品的加工質(zhì)量, 提高生產(chǎn)效率, 它是機電產(chǎn)品生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù), 對推動機電產(chǎn)品的發(fā)展有著重要地作用。由于數(shù)控系統(tǒng)在機械工業(yè)中的重要地位, 世界上近10年來, 數(shù)控機床的數(shù)量增加了10 余倍, 日本數(shù)控機床品種已達1500 多種, 機床產(chǎn)品數(shù)控化率為70 % , 有些現(xiàn)代化機械加工車間, 使用機床的數(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1 但是對于大多數(shù)企業(yè)來說,他們不一定需要高檔機床, 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, 特別適合應(yīng)用于機床的控制和故障診斷系統(tǒng), 可以減少強電元件數(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、CNC 控制器、三個全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器、變頻器、可編程控制器PLC 等幾個主要組成部分, 它的簡單結(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、程序編制與運行、參數(shù)設(shè)置、診斷、報警和調(diào)試等功能; 交流伺服驅(qū)動器完成插補運算和運動控制即G功能, 控制X、Y、Z三軸的運行; 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; 工控機主要用于狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、程序設(shè)置和與遠程局域網(wǎng)進行通信等; 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, 主控部分主要是進行主軸方向和轉(zhuǎn)速控制以及各個進給軸的控制, 這需要采用PLC 取代繼電器進行的強電控制, 其輸出端口通過控制接觸器來控制變頻器和伺服驅(qū)動器從而達到主控的目的。輔助控制通過把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警以及實現(xiàn)M、T等功能, 即CNC 控制器發(fā)出的M、T 等功能通過PLC程序解釋來實現(xiàn)相應(yīng)的功能, 還需要實現(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、CNC 控制器的故障信號輸出口相連, 并且PLC 能檢測包括機床的行程開關(guān)在內(nèi)的其他部件的狀態(tài), 根據(jù)檢測到的信號進行顯示和報警, 必要時切斷強電電源, 達到故障檢測、報警和處理故障的目的,使整個系統(tǒng)的運行更安全可靠, 另外還需要控制冷卻泵、潤滑油泵等輔助控制功能。

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

　　為了實現(xiàn)數(shù)控銑床對控制系統(tǒng)和故障診斷的各項要求, 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點輸入輸出口, 其中輸入24點, 輸出16點, 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, 并且可以進行I/O口擴展。PLC 的I/O通道分配是根據(jù)其控制對象的特點和控制要求,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

　　通過RS - 232C 通信接口, 在PC 機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)動器的狀態(tài)控制相應(yīng)的輸出端口的狀態(tài), 從而達到控制和故障報警直至采取相應(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)計軟件時, 應(yīng)使軟件具有檢測甚至消除故障的功能, 使整個系統(tǒng)的可靠性大大提高, 下面就數(shù)控銑床PLC 的軟件設(shè)計中幾個問題進行討論。

　　(1) 在銑床的軟件設(shè)計中首先注意的就是強電關(guān)斷優(yōu)先的原則, 既控制信號中只要有強電關(guān)斷的信號, 則不管其他信號的狀態(tài)如何都要關(guān)斷強電。如圖2 所示,只要關(guān)斷信號X2=1, 則無論啟動信號狀態(tài)如何, 中間繼電器M200 都被關(guān)斷, 只有X2=0時, 啟動信號X1=1才可以啟動M200 , 同時通過常開觸點M200自鎖, 在X1 = 0 以后, M200 仍為保持狀態(tài)。

圖2

　　(2) 其次要注意動作的互鎖控制, 例如主軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)是兩個不可能同時發(fā)生的動作, 此時一般需要采用互鎖控制?？梢圆捎肕200和M210的常閉觸點為互鎖信號, 分別串入M200和M210的控制回路中, 這樣當M200 和M210 當中任何一個啟動的先決條件就是另一個回路必須關(guān)斷(見圖3) 。而任何一個回路啟動之后又都能同時把另一個回路的控制回路關(guān)斷, 從而保證兩者不可能同時動作。

圖3

　(3) 還要注意順序聯(lián)鎖控制, 在數(shù)控銑床的運動控制中, 有些是有嚴格的順序要求的, 不能發(fā)生顛倒次序的現(xiàn)象。如圖4所示, 這時可以采用聯(lián)鎖控制的方法,即選擇前一個動作的常開觸點, 串聯(lián)在下一個動作的啟動回路中, 同時將后一個動作的常閉觸點串聯(lián)在上一個動作的關(guān)斷回路中, 這樣就可以使各個動作嚴格地按照設(shè)計好的順序執(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, 但是只要我們在進行軟件開發(fā)時充分考慮到系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障, 并設(shè)計相應(yīng)的防范措施, 這些故障應(yīng)當說大部分還是可以避免的, 控制系統(tǒng)的運行就會更加穩(wěn)定。

4 總結(jié)

　　本課題研制的數(shù)控銑床已經(jīng)投入試運行, 實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)計是完全可行的, 在實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。整個數(shù)控銑床的自動化程度又進一步得到了提高, 適應(yīng)了現(xiàn)代工廠自動化的發(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, 進行我省各個企業(yè)機床的改造, 提高機械加工水平, 從而推動各種企業(yè)的技術(shù)改造, 既有廣闊的技術(shù)前景, 又有顯著的經(jīng)濟效益。