PLC在CY6140普通车床改造中的应用

2010-02-14叶选林刘龙江

装备制造技术 2010年12期

叶选林，韩青，刘龙江

（云南广播电视大学云南国防工业职业技术学院机电工程学院，云南昆明 650223）

中国是一个传统的机械制造大国，但装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是用精度比较低的旧机床，这远远不能满足现代客户的加工要求，如：加工精度高，小批量生产等。针对目前制造业的装备现状，我们有两种途径，可以解决上述的不能加工高精度零件的问题：

（1）购买新的制造装备；

（2）用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升。

从上述的两种途径来看，如果全部购买新的设备，很显然需要付出成本很大。而用先进的控制技术对旧的设备进行改造和提升，不仅可以对旧的设备重新利用，还可以节约成本，本课题是针对云南机床厂生产的CY6140车床进行数控化改造，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。

1 PLC的基本功能

数控机床所用的顺序控制装置（或系统）主要有两种：一种是传统的“继电器逻辑电路”，简称RLC（Relay Logic Circuit）；另一种是“可编程序控制器”，即PLC。

RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件，用导线连接而成的以实现规定的顺序控制功能的电路。在实际应用中，RLC存在一些难以克服的缺点。如：难以实现复杂的逻辑运算、算术运算、数据处理，以及数控机床所需要的许多特殊控制功能，整个RLC体积庞大，功耗高，可靠性差等。与RLC比较，PLC是一种工作原理完全不同的顺序控制装置。

PLC具有如下基本功能：

（1）PLC是由计算机简化而来的。为适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种功能介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。

（2）具有面向用户的指令和专用于存储用户程序的存储器。用户控制逻辑用软件实现。适用于控制对象动作复杂、控制逻辑需要灵活变更的场合。

（3）用户程序多采用图形符号和逻辑顺序关系与继电器电路十分近似的“梯形图”编辑。梯形图形象直观，工作原理易于理解和掌握。

（4）PLC可与专用编程机、编程器、个人计算机等设备联接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。

（5）PLC没有继电器那种接触不良、触点熔焊、磨损和线圈烧断等故障。运行中无振动、无噪音，且具有较强的抗干扰能力，可以在环境较差（如粉尘、高温、潮湿等）的条件下稳定、可靠地工作。

（6）PLC结构紧凑，体积小，容易装入机床内部或电气箱内，便于实现数控机床的机电一体化。

2 PLC的基本结构及工作过程

PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、ROM和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量→PLC→输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可将PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量[1]。

2.1 PLC控制系统组成

（1）输入部分。如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号来自操作台上的人工指令。

（2）控制部分。反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的用户程序，并产生各种输出控制信号。

（3）输出部分。如接触器、电磁阀等，它们直接与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。

2.2 PLC工作过程分三段进行

（1）输入处理。PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前首先按地址编码顺序，将所有输入端子的通断状态（输入信号）读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段，才重新读取输入状态。

（2）程序控制。在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息，都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出，并参与计算，然后将执行结果写入有关输出映象寄存器中。

（3）输出处理。当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际输出并有输出端子送出。

3 PLC在数控机床中的应用

3.1 PLC在数控系统中的作用

在机床的数控系统中，控制部分可分数字控制和顺序控制两大部分。数字控制部分，控制刀具轨迹；而顺序控制部分，控制辅助机械动作，这种辅助动作控制通常称强电控制，它以主轴转速S、刀具选择T和辅助机能M为代码信息，送入数控系统，经系统的识别、处理，转换成与辅助动作对应的控制信号，使执行环节作相应的开关动作[2]。

（1）PLC输入输出端与机床面板信号联接。CNC数控车床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等，按钮、旋钮开关和波段开关，直接与可编程控制器的输入端接线柱相连，指示灯接线直接与PLC输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形图程序。

（2）PLC输出端与车床强电信号联接。PLC在CNC车床中的主要作用，是控制强电部分，如：主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机等。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出端都接有保护用继电器。在每一个交流线圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流。为了提高电机运行的可靠性，在接触器线圈电路中加有互锁保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑，都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制[3]。

（3）PLC输入端与CNC机床数控装置I/O口的联接。可编程控制器输出端的通断，是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的。CNC车床数控装置与可编程控制器的联接，是通过软开关直接控制PLC输入端的通断，以决定PLC输出端的状态。从数控装置I/O口的信息流向分析，可以分为两种情况：一是数控装置从I/O口输出指令，控制PLC完成相应的动作；另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装置的I/O口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。

（4）CNC加工代码在PLC上的实现方法。目前，数控车床程序中，有关车床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC车床ISO代码。在一个加工程序中，包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每1个字表示一种功能，归纳起来有4种：

第一种是准备功能，即所谓的G代码；

第二种是辅助功能，即所谓的M代码；

第三种是刀具功能，即所谓的T代码；

第四种是转速功能即所谓的S代码。

根据数控车床性能的不同，能执行这4种功能多少的程度也不同。在数控车床内部的4种功能中，G功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I/O接口实现；M功能主要控制车床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能；T功能与刀具的选择和补偿有关。

（5）T功能代码的实现方法。T功能代码包含两部分：一是刀具选择；二是刀具位置补偿。在PLC上实现的是第1部分功能：刀具选择。换刀过程如下：运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装置I/O口变为高电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干簧管触点开关接通后，换刀电机反转，使刀架下落压紧，当压紧力足够大时，微动开关接通，换刀电机停止运转[3]。

（6）M功能代码实现方法。ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控车床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控车床都具有一些基本的辅助功能。如M00(程序停止)，M03(主轴正转)，M05（主轴停止）等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装置与PLC相结合来完成。如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装置I/O接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC输出端的状态，进而完成M功能。

3.2 PLC的分类

（1）CNC数控系统的两类控制信号。一类是高速信号，主要用于各个坐标轴的插补运动；另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关量。低速信号的控制对象，主要一些高电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随着可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC、FMS系统中的应用有不断上升的趋势。

（2）数控车床PLC目前的两种形式。一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC，PLC在CPU外部，称为外装型PLC；第二种是采用数控系统与PLC合用一个CPU的方法，PLC在CPU内部，称为内装型PLC。FANUC数控系统采用内装型PLC[4]。