立式加工中心控制系统研究

摘 要：机床数控系统设计过程中，编制简洁、明了、准确的PLC程序是保证机床加工性能、精度和方便使用机床的重要环节。实践中，PLC编程及调试要在了解数控系统PLC运行特点、编程规则的基础上，一方面依据电路设计时完成的I/O点的分配状况；另一方面依据用户的操作习惯完成PLC程序设计并进行程序调试。本文总结控制系统设计；过程中PLC编程；调试方法。

关键词：PLC数控系统

1.PLC的基本结构及工作原理

PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、RAD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。

PLC控制系统组成：

（1）输入部分：如按钮开关、限位开关、压力检测开关、液位报警开关、温度检测开关等，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、三色报警、驱动使能、控制使能等，它们直接与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。

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。

2.PLC与CNC机床的连接方式

CNC数控系统的控制信号有两类。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。

目前，立式加工中心PLC的形式有两种：一种是采用单独完成PLC功能，即配有专门的PLC，PLC在CPU外部Q为外装PLC，如西门子的802Dsl系统；另一种是采用数控系统与PLC合用一个CPU的方法，PLC在CPU内部称内装型PLC。立式数控车床的控制系统采用的是802Dsl，即采用的是外装型PLC。可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，通过CNC数控系统I/O口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通为“1”；断为“O”，完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。

2.1 PLC输入输出端与机床面板信号连接

立式数控车床的操作面板有27个自定义键。机床操作面板的背后的两个50芯扁平电缆插座，可通过扁平电缆与PP72/48模块的插座连接。结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全能够满足机床控制的基本要求。CNC立式加工中心操作面板上有按钮、旋钮开关、和指示灯等（见图2.1），按钮、旋钮开关等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。

机床面板各键定义如下：

#1：油泵启动#2：油泵停止#3：主轴I挡#4：主轴II挡#5：动#6：冲刷冷却#7：增量选择#8：JOG运行方式#9：回参考点#10：自动方式#11：单段运行#12：手动输入#13：主轴正点#14：主轴停止#15：主轴反点#16：正向排屑#17：+X#18：负向排屑#19：+Z#20：快速#21：-Z#22：空#23：-X#24：空#25：复位#26：NC停止#27：NC启动右侧从上到下分别：急停按钮、主轴倍率开关、进倍率开关。

2.2 PLC输出端与机床强电信号连接

PLC在CNC机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、排屑器电机正反转、主轴风扇、电机、冷却电机、冰箱控制等。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。

2.3 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机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。CNC机床数控装置I/O门与PLC输入端的联接，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。

3.PLC调试

首先利用准备好的“802Dsl调试电缆”将计算机和802Dsl的COMl连接起来：802DsI

必须进机方式：系统――PLC――STEP7连接――设定通讯参数――拥有一个编译无误的PLC程序，然后才能利用PLC编程工具软件将该应用程序下载到802Dsl中；下载成功后，需要启动PLC应用程序；可利用监控梯图的状态；（不包括局部变量L的状态）；可利用监控内部地址的状态；还可利用“交叉应用表”来检查是否有地址冲突；联机调试的检验项目根据视床类型的不同而不同。

对立式数控车床进行PLC程序联机调试时，调试项目主要包括：

机床运行电气安全措施：急停按钮功能、进给轴正/负方向超程保护、超程释放功能、指示灯报警及报警复位、停止运行控制：

NC工作方式检验：手动数据输入（MDI）方式、自动（AUTO）方式、编辑（EDIT）方式、手动连续进给（JOG）方式、手轮（HANDLE）方式；

与程序运行有关的NC状态检验：循环起动、进给保持、单程序段、程序段跳过、机床锁住、辅助功能锁住、主轴进给倍率选择、手动连续进给倍率选择、手轮倍率选择、快速移动及快速倍率选择？指令代码译码控制检验：M、S、T代码译码控制；

主轴系统控制性能检验：主轴手动起/停及正反转控制、主轴自动起/停及正反转控制、主轴转速倍率选择、主轴准停控制、刀具的夹紧/松开及其指示灯显示控制；

液压系统控制检验：液压泵电机起/停控制、液压泵电机过载安全控制；

冷却和排屑系统控制检验：冷却泵和排屑装置电机起停控制、冷却泵电机过载及排屑装置卡住安全控制；

系统运行控制；机床各功能部件故障报警控制；

在作每项功能验证调试之前，必须搞清受控对象所执行的顺序动作；待验证和调试的顺序程序的逻辑控制关系：是否会使机床出现意外的动作或事故等。

若程序运行正常，无需进行修改，便可将PLC程序向ROM写入，此外还要注意做好程序的保存，将程序的梯形图及索引打印出来，经调试最终确认合格的PLC程序是重要的技术文件，除固化到EPROM中外，还应采取存入软盘等方式进行备份。

当立式加工中心电气控制系统出现故障时，为分析和查找故障原因，除需要查阅CNC使用说明书、电气控制原理图外，有关程序的文件也是必不可少的，这些文件包括：经调试确认的梯形图程序；用于梯形图程序的PC数据表（定时器、计数器、PC参数、数据表、内部继电器等的分布地址和各种预设定值）。

结论

本文首先介绍了PLC基本结构及工作原理、PLC与CNCC床的连接方式，其次介绍了CNC加工代码在PLC上的实现方法，然后介绍了PLC的编程步骤及程序的模块化设计，接着重点结合本次立式数控车床控制系统的设计对其进行梯形图编程包括主程序及其各个子程序，最后介绍了PLC的调试项目包括的内容。

参考文献

[1]杨军.西门子SINUMERIK数控系统编程的二次开发及应用.陕西科技大学学报，2007，2（25）：105-108.