摘要：提出了PLC與伺服系統(tǒng)在數(shù)控車床的模擬量、數(shù)字量控制和位置控制中的綜合應(yīng)用，本文介紹了PLC在數(shù)控車床中的應(yīng)用前景，對車床的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了討論，詳細(xì)闡述了機(jī)床控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，使機(jī)床在加工中精度得以保證。

1引言

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

    1、實(shí)現(xiàn)刀具相對于工件各坐標(biāo)軸幾何運(yùn)動規(guī)律的數(shù)字控制。這個任務(wù)是由NC來完成；

    2、機(jī)床輔助設(shè)備的控制是由PLC來完成。它是在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中，根據(jù)CNC內(nèi)部標(biāo)志以及機(jī)床的各控制開關(guān)、檢測元件、運(yùn)行部件的狀態(tài)，按照程序設(shè)定的控制邏輯對諸如刀庫運(yùn)動、換刀機(jī)構(gòu)、冷卻液等的運(yùn)行進(jìn)行控制。

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

    1、與驅(qū)動命令有關(guān)的連接電路；

    2、數(shù)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(hù)電路；

    4、通斷信號及代碼信號連接電路；

    從接口分類的標(biāo)準(zhǔn)來看，第一類、第二類連接電路傳送的是數(shù)控裝置與伺服單元、伺服電機(jī)、位置檢測以及數(shù)據(jù)檢測裝置之間控制信息。第三類是由數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電電路中的電源控制控制電路構(gòu)成。通常由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護(hù)開關(guān)、繼電器、接觸器等等構(gòu)成。為其他電機(jī)、電磁閥、電磁鐵等執(zhí)行元件供電。這些相對于數(shù)控系統(tǒng)來講，屬于強(qiáng)電回路。這些強(qiáng)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(zhuǎn)換成直流低壓下工作的開關(guān)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(jīng)過中間繼電器或轉(zhuǎn)換電路變成能連接到強(qiáng)電線路的信號，再由強(qiáng)電回路驅(qū)動執(zhí)行元件工作。第四類信號是數(shù)控裝置向外部傳送的輸入輸出控制信號。

    數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位，因此，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取各種措施來改進(jìn)和完善自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)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(shù)控車床，大多采用MCS--51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及繼電線路，這種控制方式由于存在繼電器線路復(fù)雜，故障排除時(shí)間長，并存在：①單片機(jī)易受外部信號（特別是中高頻電源設(shè)備的干擾，穩(wěn)定性差）；②步進(jìn)電機(jī)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(xiàn)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(xiàn)代控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的精確控制。

2PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用形式

    數(shù)控機(jī)床中所用的PLC可分為兩類：一類是專為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制而設(shè)計(jì)制造的內(nèi)裝型PLC（built-inType），另一類是那些輸入輸出技術(shù)規(guī)范，輸入輸出點(diǎn)數(shù)、程序存儲容量以及運(yùn)算和控制功能等均能滿足數(shù)控機(jī)床控制要求的獨(dú)立型PLC（Stand-aloneType）。

    內(nèi)裝式PLC也稱集成式PLC，采用這種方式的數(shù)控系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)之初就將NC和PLC結(jié)合起來考慮，NC和PLC之間的信號傳遞是在內(nèi)部總線的基礎(chǔ)上進(jìn)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(dú)的CPU這種結(jié)構(gòu)從軟硬件整體上考慮,PLC和NC之間沒有多余的導(dǎo)線連接,增加了系統(tǒng)的可靠性,而且NC和PLC之間易實(shí)現(xiàn)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(shù)控系統(tǒng)一般都采用這種形式的PLC。

2.1內(nèi)裝型PLC的特點(diǎn)

    （1）內(nèi)裝型PLC實(shí)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(nèi)裝型PLC的性能指標(biāo)（如：輸入／輸出點(diǎn)數(shù)，程序最大步數(shù)，每步執(zhí)行時(shí)間、程序掃描周期、功能指令數(shù)目等）是根據(jù)所從屬的CNC系統(tǒng)的規(guī)格、性能、適用機(jī)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(shè)計(jì)、制造的。因此，系統(tǒng)硬件和軟件整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，且PLC所具有的功能針對性強(qiáng)，技術(shù)指標(biāo)亦較合理、實(shí)用，尤其適用于單機(jī)數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用場合。

    （3）在系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PLC可與CNC共用CPU，也可以單獨(dú)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(dú)制成一塊附加板，當(dāng)CNC裝置需要附加PLC功能時(shí)，再將此附加板插裝到CNC裝置上，內(nèi)裝PLC一般不單獨(dú)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(nèi)裝型PLC結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(chǎn)的CNC產(chǎn)品中，大多開發(fā)了內(nèi)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(nèi)裝型PLC省去了PLC與NC間的連線，又具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、安裝和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上對用戶來說都是有利的。

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

    獨(dú)立式PLC也稱外裝式PLC，它獨(dú)立于NC裝置，具有獨(dú)立完成控制功能的PLC。在采用這種應(yīng)用方式式，可根據(jù)用戶自己的的特點(diǎn)，選用不同專業(yè)PLC廠商的產(chǎn)品，并且可以更為方便的對控制規(guī)模進(jìn)行調(diào)整。

2.2獨(dú)立型PLC的特點(diǎn)

    （1）獨(dú)立型PLC具有如下基本的功能結(jié)構(gòu)：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(jī)等外部設(shè)備通信的接口和電源等。

    （2）獨(dú)立型PLC一般采用積木式模塊化結(jié)構(gòu)或籠式插板式結(jié)構(gòu)，各功能電路多做成獨(dú)立的模塊或印刷電路插板，具有安裝方便，功能易于擴(kuò)展和變更等優(yōu)點(diǎn)。例如，可采用通信模塊與外部輸入輸出設(shè)備、編程設(shè)備、上位機(jī)、下位機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；采用D/A模塊可以對外部伺服裝置直接進(jìn)行控制；采用計(jì)數(shù)模塊可以對加工工件數(shù)量、刀具使用次數(shù)、回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)分度數(shù)等進(jìn)行檢測和控制，采用定位模塊可以直接對諸如刀庫、轉(zhuǎn)臺、直線運(yùn)動軸等機(jī)械運(yùn)動部件或裝置進(jìn)行控制。

    （3）獨(dú)立型PLC的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)可以通過I/O模塊或插板的增減靈活配置。有的獨(dú)立型PLC還可通過多個遠(yuǎn)程終端連接器構(gòu)成有大量輸入、輸出點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)大范圍的集中控制。

    在獨(dú)立型PLC中，那些專為用于FMS、FA而開發(fā)的獨(dú)立型PLC具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能，主要用作“單元控制器”，是現(xiàn)代自動化生產(chǎn)制造系統(tǒng)重要的控制裝置。獨(dú)立型PLC也用于單機(jī)控制。國外有些數(shù)控機(jī)床制造廠家，或是為了展示自己長期形成的技術(shù)特色，或是為了保守某些技術(shù)絕竅，或純粹是因管理上的需要，在購進(jìn)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(dú)立型PLC作控制器，這種情況在從日本、歐美引進(jìn)的數(shù)控機(jī)床中屢見不鮮。

    國內(nèi)已引進(jìn)應(yīng)用的獨(dú)立型PLC有：Siemens公司的SIMATICS5系列產(chǎn)品；A-B公司的PLC系列產(chǎn)品；FANUC公司的PMC-J等。

3PLC與數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床間的信息交換

    相對于PLC，機(jī)床和NC就是外部。PLC與機(jī)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(jī)床側(cè)至PLC：機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號通過I/O單元接口輸入到PLC中，除極少數(shù)信號外，絕大多數(shù)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(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家可以方便的根據(jù)機(jī)床的功能和配置，對PLC程序和地址分配進(jìn)行修改。

    （2）PLC至機(jī)床：PLC的控制信號通過PLC的輸出接口送到機(jī)床側(cè)，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(guān)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(shù)控指令的M、S、T功能,通過CNC譯碼后直接送入PLC相應(yīng)的寄存器中。

    （4）PLC至CNC:PLC送至CNC的信息也由開關(guān)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(shù)控機(jī)床中的工作流程

    PLC在數(shù)控機(jī)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(dāng)然，在程序運(yùn)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(jīng)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(jìn)行特定順序的掃描，并且同時(shí)讀入輸入映像寄存區(qū)、輸出映像寄存區(qū)的讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像寄存區(qū)供輸出和下次運(yùn)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(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過特定方式輸出，驅(qū)動外部負(fù)載。

5PLC在數(shù)控機(jī)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(jī)床操作面板。系統(tǒng)操作面板的控制信號先是進(jìn)入NC，然后由NC送到PLC，控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行。機(jī)床操作面板控制信號，直接進(jìn)入PLC，控制機(jī)床的運(yùn)行。

    （2）機(jī)床外部開關(guān)輸入信號。將機(jī)床側(cè)的開關(guān)信號輸入到送入PLC，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。這些開關(guān)信號，包括很多檢測元件信號(如：行程開關(guān)、接近開關(guān)、模式選擇開關(guān)等等)

    （3）輸出信號控制：PLC輸出信號經(jīng)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(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)送出T指令給PLC，經(jīng)過譯碼，在數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定的刀號，并與主軸刀號進(jìn)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(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)送出M指令給PLC，經(jīng)過譯碼，輸出控制信號，控制主軸正反轉(zhuǎn)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(jī)床行業(yè)的應(yīng)用前景

    PLC在數(shù)控機(jī)床和非數(shù)控機(jī)床中都有使用，在數(shù)控機(jī)床中，PLC是數(shù)控機(jī)床的大腦，何時(shí)進(jìn)刀，何時(shí)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(jī)床的限位開關(guān)等機(jī)械控制部分以及液壓控制部分也會應(yīng)用到PLC。通過計(jì)算機(jī)與PLC的組合，實(shí)現(xiàn)對刀架換刀的準(zhǔn)確控制。

    機(jī)床行業(yè)中PLC的應(yīng)用以小型PLC為主，日系PLC在小型PLC領(lǐng)域占有很大優(yōu)勢，因此在機(jī)床行業(yè)中日系PLC占據(jù)大部分市場份額，而三菱、西門子和ge-fanuc由于其數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床行業(yè)中占有優(yōu)勢，因此在機(jī)床行業(yè)中占有一席之地。機(jī)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(dá)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(jī)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(xiàn)衰退現(xiàn)象，特別是在受金融危機(jī)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(dá)到20.2%，如此高幅度的下降是歷年很少見的，其中普通機(jī)床的影響尤為明顯，庫存開始增加，而數(shù)控機(jī)的影響稍微少一些，從而給這個行業(yè)重新洗牌，未來機(jī)床的方向是數(shù)控化和逐步高端化，這些機(jī)床都需要使用大量PLC和運(yùn)動控制器/卡來逐步取代繼電器或機(jī)械控制，使得機(jī)床的整體性能得到提升，因此從長遠(yuǎn)來看，PLC和運(yùn)動控制器/卡在機(jī)床行業(yè)的應(yīng)用還是會很有潛力，在金融危機(jī)的沖擊下，用戶對PLC的性價(jià)比會越來越高，在同等價(jià)位水平下，希望PLC能夠集成更多功能，如多軸插補(bǔ)功能等，甚至把原來不帶有運(yùn)動控制模塊的PLC轉(zhuǎn)化成帶有運(yùn)動模塊，這些都是PLC廠商面對這場危機(jī)時(shí)所需要考慮的，在人人捂緊錢包的時(shí)候，只有更加高性價(jià)比的產(chǎn)品才能在這場危機(jī)中勝出，而對于運(yùn)動控制器/卡，開放性將是其發(fā)展趨勢，不需要借助相關(guān)平臺即能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制功能。