PLC在CY6140普通車床改造中的應用

葉選林，韓 青，劉龍江

（云南廣播電視大學云南國防工業職業技術學院機電工程學院，云南昆明 650223）

中國是一個傳統的機械制造大國，但裝備水平落后，特別是一些老的機械制造廠大多還是用精度比較低的舊機床，這遠遠不能滿足現代客戶的加工要求，如：加工精度高，小批量生產等。針對目前制造業的裝備現狀，我們有兩種途徑，可以解決上述的不能加工高精度零件的問題：

（1）購買新的制造裝備；

（2）用現代先進技術對舊的設備進行改造和提升。

從上述的兩種途徑來看，如果全部購買新的設備，很顯然需要付出成本很大。而用先進的控制技術對舊的設備進行改造和提升，不僅可以對舊的設備重新利用，還可以節約成本，本課題是針對云南機床廠生產的CY6140車床進行數控化改造，其現實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設備改造方法，對傳統機械制造行業的技術裝備進行技術提升，以解決目前設備老化所帶來的問題。

1 PLC的基本功能

數控機床所用的順序控制裝置（或系統）主要有兩種：一種是傳統的“繼電器邏輯電路”，簡稱RLC（Relay Logic Circuit）；另一種是“可編程序控制器”，即PLC。

RLC是將繼電器、接觸器、按鈕、開關等機電式控制器件，用導線連接而成的以實現規定的順序控制功能的電路。在實際應用中，RLC存在一些難以克服的缺點。如：難以實現復雜的邏輯運算、算術運算、數據處理，以及數控機床所需要的許多特殊控制功能，整個RLC體積龐大，功耗高，可靠性差等。與RLC比較，PLC是一種工作原理完全不同的順序控制裝置。

PLC具有如下基本功能：

（1）PLC是由計算機簡化而來的。為適應順序控制的要求，PLC省去了計算機的一些數字運算功能，而強化了邏輯運算控制功能，是一種功能介于繼電器控制和計算機控制之間的自動控制裝置。

（2）具有面向用戶的指令和專用于存儲用戶程序的存儲器。用戶控制邏輯用軟件實現。適用于控制對象動作復雜、控制邏輯需要靈活變更的場合。

（3）用戶程序多采用圖形符號和邏輯順序關系與繼電器電路十分近似的“梯形圖”編輯。梯形圖形象直觀，工作原理易于理解和掌握。

（4）PLC可與專用編程機、編程器、個人計算機等設備聯接，可以很方便地實現程序的顯示、編輯、診斷、存儲和傳送等操作。

（5）PLC沒有繼電器那種接觸不良、觸點熔焊、磨損和線圈燒斷等故障。運行中無振動、無噪音，且具有較強的抗干擾能力，可以在環境較差（如粉塵、高溫、潮濕等）的條件下穩定、可靠地工作。

（6）PLC結構緊湊，體積小，容易裝入機床內部或電氣箱內，便于實現數控機床的機電一體化。

2 PLC的基本結構及工作過程

PLC采用的是典型的計算機結構，主要包括CPU、RAM、ROM和輸入、輸出接口電路等。其內部采用總線結構，進行數據和指令的傳輸。如果把PLC看作一個系統，該系統由輸入變量→PLC→輸出變量組成，外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入變量，它們經PLC外部輸入端子輸入到內部寄存器中，經PLC內部邏輯運算或其他各種運算、處理后送到輸出端子，他們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對外圍設備進行各種控制。這里可將PLC看作一個中間處理器或變換器，以將輸入變量變換為輸出變量[1]。

2.1 PLC控制系統組成

（1）輸入部分。如按鈕開關、限位開關等，直接與PLC輸入端子相連接，用以產生輸入控制信號，這些信號來自操作臺上的人工指令。

（2）控制部分。反復執行根據被控對象的實際控制要求所編制的用戶程序，并產生各種輸出控制信號。

（3）輸出部分。如接觸器、電磁閥等，它們直接與PLC輸出端子相連接，用以控制被控對象的動作。

2.2 PLC工作過程分三段進行

（1）輸入處理。PLC以重復掃描方式執行用戶程序，在執行程序前首先按地址編碼順序，將所有輸入端子的通斷狀態（輸入信號）讀入輸入映象寄存器中，然后開始執行用戶程序，在執行過程中，即使輸入信號發生變化，輸入映象寄存器的內容也不變，直到下一個掃描周期的輸入處理階段，才重新讀取輸入狀態。

（2）程序控制。在程序執行階段，PLC順序掃描用戶程序，每執行一條程序所需要的信息，都從輸入映象寄存器和其他內部寄存器中讀出，并參與計算，然后將執行結果寫入有關輸出映象寄存器中。

（3）輸出處理。當全部指令執行完畢后，將輸出映象寄存器中的狀態全部傳送到輸出鎖存寄存器中，構成PLC的實際輸出并有輸出端子送出。

3 PLC在數控機床中的應用

3.1 PLC在數控系統中的作用

在機床的數控系統中，控制部分可分數字控制和順序控制兩大部分。數字控制部分，控制刀具軌跡；而順序控制部分，控制輔助機械動作，這種輔助動作控制通常稱強電控制，它以主軸轉速S、刀具選擇T和輔助機能M為代碼信息，送入數控系統，經系統的識別、處理，轉換成與輔助動作對應的控制信號，使執行環節作相應的開關動作[2]。

（1）PLC輸入輸出端與機床面板信號聯接。CNC數控車床操作面板上有按鈕、旋鈕開關、波段開關和指示燈等，按鈕、旋鈕開關和波段開關，直接與可編程控制器的輸入端接線柱相連，指示燈接線直接與PLC輸出端接線柱相連，指示燈的亮暗取決于相應的PLC輸入端的開關狀態及固化在PCROM卡中的梯形圖程序。

（2）PLC輸出端與車床強電信號聯接。PLC在CNC車床中的主要作用，是控制強電部分，如：主控電源、伺服電源、刀架電機正反轉、主軸風扇、潤滑電機等。由于流過強電電路的電流很大，在PLC輸出端都接有保護用繼電器。在每一個交流線圈兩側并聯阻容電路以吸收由于線圈通斷時產生的浪涌電流。為了提高電機運行的可靠性，在接觸器線圈電路中加有互鎖保護觸點。同理，每個電機的運行程序控制邏輯，都固化在PCROM卡中，受機床操作面板開關和數控系統軟件的控制[3]。

（3）PLC輸入端與CNC機床數控裝置I/O口的聯接。可編程控制器輸出端的通斷，是由其輸入端通斷狀態及梯形圖程序決定的。CNC車床數控裝置與可編程控制器的聯接，是通過軟開關直接控制PLC輸入端的通斷，以決定PLC輸出端的狀態。從數控裝置I/O口的信息流向分析，可以分為兩種情況：一是數控裝置從I/O口輸出指令，控制PLC完成相應的動作；另一種是檢測PLC輸入口的開關狀態，數控裝置的I/O口是輸入信號，數控裝置根據輸入信號的性質做出相應的控制。

（4）CNC加工代碼在PLC上的實現方法。目前，數控車床程序中，有關車床坐標系約定、準備功能、輔助功能、刀具功能及程序格式等方面已趨于統一，形成了統一的標準，即所謂的CNC車床ISO代碼。在一個加工程序中，包含許多程序段，每個段又由若干字組成，每1個字表示一種功能，歸納起來有4種：

第一種是準備功能，即所謂的G代碼；

第二種是輔助功能，即所謂的M代碼；

第三種是刀具功能，即所謂的T代碼；

第四種是轉速功能即所謂的S代碼。

根據數控車床性能的不同，能執行這4種功能多少的程度也不同。在數控車床內部的4種功能中，G功能主要與聯動坐標軸驅動有關，是通過CPU控制數控裝置的I/O接口實現；M功能主要控制車床強電部分，包括主軸換向、冷卻液開關等功能；T功能與刀具的選擇和補償有關。

（5）T功能代碼的實現方法。T功能代碼包含兩部分：一是刀具選擇；二是刀具位置補償。在PLC上實現的是第1部分功能：刀具選擇。換刀過程如下：運行數控程序，發出某個刀具號的換刀指令，對應的數控裝置I/O口變為高電平，使PLC輸入端的軟開關接通，換刀電機正轉，當在刀架上的干簧管觸點開關接通后，換刀電機反轉，使刀架下落壓緊，當壓緊力足夠大時，微動開關接通，換刀電機停止運轉[3]。

（6）M功能代碼實現方法。ISO數控加工代碼標準中輔助功能很多，對于不同的數控車床，所能實現的輔助功能也不盡相同，但是各種數控車床都具有一些基本的輔助功能。如M00(程序停止)，M03(主軸正轉)，M05（主軸停止）等，M功能的一部分是由數控系統本身的硬件和軟件實現，還有一部分需要數控裝置與PLC相結合來完成。如主軸的正轉與停止功能，M功能的實現與T功能的實現方法類似，同樣是數控裝置I/O接口發出指令，由PLC輸入端狀態和PLC內部ROM中的梯形圖程序決定PLC輸出端的狀態，進而完成M功能。

3.2 PLC的分類

（1）CNC數控系統的兩類控制信號。一類是高速信號，主要用于各個坐標軸的插補運動；另一類是低速信號，主要用于控制主軸電機的正、反運轉、接觸器、電磁閥的通斷等開關量。低速信號的控制對象，主要一些高電壓或大電流的強電設備，其控制采用可編程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特點，而且隨著可編程控制器本身性能價格比不斷提高，在現代CNC、FMS系統中的應用有不斷上升的趨勢。

（2）數控車床PLC目前的兩種形式。一種是采用單獨的CPU完成PLC功能，即配有專門的PLC，PLC在CPU外部，稱為外裝型PLC；第二種是采用數控系統與PLC合用一個CPU的方法，PLC在CPU內部，稱為內裝型PLC。FANUC數控系統采用內裝型PLC[4]。

4 結束語

車床的翻新改造，也是一個對技術要求較高的行業，其要求從事該行業的公司和科研單位，必須具有較高的綜合能力，必須具有自動控制、計算機技術、電氣設備施工、機械設備維護、機械工藝等各方面的工程技術人員，然后制定出合理準確的改造方案。只有這樣，才能保證舊車床數控改造的順利進行。

[1]李中華.機床的數控改造及應用[D].北京:華北電力大學，2005.

[2]何 寧.機床原理及應用[M].重慶：重慶大學出版社，2004.

[3]茍 琪.可編程控制器在CNC機床中的應用[J].機械工業自動化，1998，（8）：9-11.

[4]劉瑞己.可編程控制器(PLC)在數控機床(CNC)中的應用[J].機床與自動化加工技術，2002，（12）：61-62.