基于KND系统的四轴数控系统的开发

缑斌丽，杨雨图

（南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037）

0 引言

随着装备业及相关产业的不断发展，数控机床加工在生产中的地位不断增加，对机床性能要求也在不断提高。在一台四轴数控铣床的设计过程中，用户要求用三种液体加热后对所加工的零件进行表面处理，三种液体不仅都有温度要求，而且每一种液体在处理过程中温度还有变化。如果温度达不到要求，机床加工暂停等待。液体加热装置由用户提供，该装置加热由电位器调节，电压越高其液体温度也越高。本文基于KND数控系统K1000M4i为控制软件，与台达DVP-20EX的PLC成功连接，设计了一套四轴三联动的嵌入式数控系统，该系统不仅具有开发周期短、成本低，可靠性高，实时性强等优点，而且具有很好的可移植性，对研究新一代数控系统有积极的推动作用。

1 控制系统的结构

K1000M4i数控系统只有一个模拟量输出端，用于主轴电机变频器的频率控制。该模拟量的变化由数控系统的S指令生成，经过数控系统内部运算转换后输出0到10V直流电压或正负10V直流电压，当变频器接收到该模拟电压后就控制电机的转速。数控系统通过其定义的参数设置电机转速的范围。数控机床设计人员无法对其作控制。可编程逻辑控制器（简称PLC）的控制方法就非常灵活，不仅可以处理开关量，也可以处理模拟量，而且模拟量可以为电压形式也可以为电流形式。可由设计人员对其作各种控制。

数控系统与PLC处理开关量的方法基本上大同小异，都是以布尔代数为运算基础，只是语言形式和指令代码有区别。但数控系统没有模拟量的处理指令，它除了一个用S指令生成的模拟量外再没有其它的模拟量输入输出接口了，所以它不需要那些处理模拟量的指令。

在数控机床的应用中尤其是一些特殊的专用机床中就需要处理模拟量。把数控系统与PLC组合起来控制专用机床中的模拟量，只要运用得好，就能达到非常好的效果，而且还节省成本。

显示屏或触摸屏作为PLC的上位机，可以实现人机对话。且通讯方式也非常友好。数控系统有自己的显示屏、开关量、模拟量、指令解释、运动轴控制等模块，通过数控指令实现人机对话。因此数控系统不好与其他控制系统如PLC相连接，数控系统的显示屏也不可能向PLC开放。因此二者的连接形式就非常重要了，也是专用机床中处理模拟量的成败之关键。

我们用国产KND的K1000M4i数控系统与台达DVP-20EX的PLC就成功的将二者连接了。KND数控系统作为上位机，用M指令控制PLC的模拟量的处理。KNDK1000M4i数控系统原有的输入输出接口即DI/DO点已用于数控铣床本身的控制了，没有多余的DI/DO点，于是我们就增加一个KND的扩展I/O模块，将扩展I/O模块的输出点与台达PLC的输入点相连接，台达PLC的输出点与扩展I/O模块的输入点相连接，双方均使用直流24V电源。再将加热装置的电位器接到PLC的一组模拟量输入端，考虑到二者的等电位性质，电位器电源取自加热装置，PLC的一组模拟量输出端接到加热装置电位器取样端。如图1、图2所示，三种液体加热装置接线均一样。

图1 加热装置原控制图

图2 加热装置与PLC的电位器连接图

2 控制系统软件图

在数控系统中开发一组不常用的M指令来控制台达PLC，台达PLC再控制加热装置。

M50指令A液体加热开启

M51指令A液体加热关闭

M52指令A液体出液开启

M53指令A液体出液关闭

M54指令B液体加热开启

M55指令B液体加热关闭

M56指令B液体出液开启

M57指令B液体出液关闭

M58指令C液体加热开启

M59指令C液体加热关闭

M60指令C液体出液开启

M61指令C液体出液关闭

首先定义KND数控系统参数号113=32、114=32、117=100、118=100。其意义为扩展I/O模块输入地址为32点，输出地址为32点，输入首地址号为X100，输出首地址号为Y100。其次在KND数控系统的PLC（与上述PLC不同，专指数控系统的软件编辑）程序中先生成M50到M61的指令，然后编写KND数控系统的PLC程序，如图3所示，以A液体为例。再编写台达的PLC程序，如图4所示。

图3 KND系统PLC程序

图4 台达PLC程序图

3 系统的工作过程

其控制过程如下：

1）在手动状态下，操作员调节电位器，使其达到设定值后，手动按下KND数控系统操作键盘左边一个空白键（X45.6），该键在本机床中被定义为电压采样键。KND数控系统将Y100.0置1，此时台达PLC装置的X0被置1，台达PLC对输入电压进行采样并可保持记忆住，即永久记忆模拟量输入端的电压值只到有变化为止。

2）在程序运行状态中，当零件程序执行到M50时，KND数控系统将Y100.1置1，台达PLC的输入点X1被置1，此时台达PLC按记忆值输出电压模拟量到加热装置。加热装置开始加热，当温度到达时，加热装置的一个开关量信号使台达PLC的输入点X2被置1，其输出点Y0置1。台达PLC的输出点Y0置1又使KND数控系统的X100.0被置1。当零件程序执行到M52时，系统检测到X100.0为1时，将Y100.2置1，驱动一个交流接触器动作，将A液体泵出。当A液体工作完成后（零件程序用G04暂停处理），就执行M51 M53关闭加热与关闭泵出。

4 结论

KND数控系统作为上位机，很好地控制了台达PLC的动作，台达PLC又能很好地控制加热装置的动作，因此它们的人机对话操作界面非常友好。整个过程控制由生产厂家处理好，用户只需要记住12个M指令按照加工工艺编写零件程序即可。

当然一些高档数控系统可以处理模拟量，如西门子的840D，就能自带模拟量的输入输出模块，用它们实现上述控制也很容易，但成本要高得多。

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