【正文】 e：照明和工作指示等輔助部分。針對這些情況,從經(jīng)濟性、可靠性、先進性、簡易性等多方面考慮,選用了可編程控制(PLC) 技術(shù)來進行電氣系統(tǒng)的技術(shù)改造。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。直到認(rèn)為程序無誤為止。(2) 獨立型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立的模塊或印制電路板，具有安裝方便，功能易于擴展和變更等優(yōu)點。 所示為具有內(nèi)裝型PLC 的CNC 機床系統(tǒng)框圖。若程序中需要讀人某輸出狀態(tài)，則也在此時讀人，然后進行邏輯運算。某些信息的處理已不能采用順序執(zhí)行的方式，而必須采用高速實時處理方式。每個梯級由一個行或數(shù)行構(gòu)成。I/O模塊可以制成各種標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)I/O 點數(shù)來增減和組合。各部件的作用如下。用戶控制邏輯用軟件實現(xiàn)。許多機械設(shè)備的工作過程都需要遵循一定的步驟或順序。近年來PLC 技術(shù)發(fā)展很快，每年都推出不少新產(chǎn)品。5) 插補零件加工程序段中的指令行程信息是有限的。機床參數(shù)一般在機床出廠時或在用戶安裝調(diào)試時已經(jīng)設(shè)定好，所以輸入CNC系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補償參數(shù)。通過事先檢測出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到CNC 系統(tǒng)中，在實際加工中進行補償，從而提高數(shù)控機床的加工精度。一般用地址符S 后加兩位或四位數(shù)字表示，單位分別為r/min 和mm/min。由于輪廓控制的實時性很強，軟件插補的計算速度難以滿足數(shù)控機床對進給速度和分辨率的要求，同時由于CNC 不斷擴展其他方面的功能也要求減少插補計算所占用的CPU 時間。前者主要處理機床軌跡運動的數(shù)字控制，后者主要處理開關(guān)量的邏輯控制。 采用數(shù)控機床加工，能準(zhǔn)確地計算零件加工工時和費用，簡化了檢驗工、夾具，減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。高檔數(shù)控機床具有高性能通信接口，具備聯(lián)網(wǎng)功能，通過采用MAP(制造自動化協(xié)議)等高級工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)或Ethernet (以太網(wǎng))，可實現(xiàn)遠程故障診斷和維修，為解決不同類型不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控機床進入FMS(柔性制造系統(tǒng))和CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 圖12 閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖相比于開環(huán)數(shù)控機床，閉環(huán)數(shù)控機床精度更高，速度更快，驅(qū)動功率更大，但是，這類機床價格昂貴，對機床結(jié)構(gòu)及傳動鏈依然提出了嚴(yán)格的要求。在每一插補周期內(nèi)，插補程序被調(diào)用一次，計算出各坐標(biāo)軸在下一插補周期內(nèi)的位移增量(數(shù)字量而不是單個脈沖)ΔX、ΔY等，然后再計算出相應(yīng)插補點位置的坐標(biāo)值。其基本思想是：用折線來逼近曲線(包括直線)。CNC裝置每發(fā)出一個脈沖，機床執(zhí)行部件的最小位移量稱為脈沖當(dāng)量。由于進給系統(tǒng)傳動精度、靈敏性和穩(wěn)定性將直接影響被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度，因此，為減少摩擦阻力，進給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌。 數(shù)控裝置具備的功能有：① 多坐標(biāo)控制；② 實現(xiàn)多種函數(shù)的插補；③ 信息轉(zhuǎn)換功能，如英制/公制轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、絕對值/增量值轉(zhuǎn)換；④ 補償功能，如刀具半徑補償、長度補償、傳動間隙補償、螺距誤差補償；⑤ 多種加工方式選擇，如可以實現(xiàn)各種加工循環(huán)、重復(fù)加工；⑥ 具有故障自診斷功能；⑦ 通信和聯(lián)網(wǎng)功能等。計算機數(shù)控(Computerized Numerical Control，簡稱CNC)是指用計算機實現(xiàn)部分或全部的數(shù)控功能。 　 采用數(shù)字技術(shù)進行機械加工，最早是在40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商派爾遜斯公司（ParsonsCorporation）實現(xiàn)的。 feature strong, high cost performance。通過本文達到讓讀者能夠了解數(shù)控機床的PLC設(shè)計方法的目的。它能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及各種控制功能。由于主軸部件要求實現(xiàn)自動更換刀具或工件，因此主軸上設(shè)計有刀具自動夾緊機構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，經(jīng)過信息處理、分配，使坐標(biāo)移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。1) 脈沖增量插補。其基本思想是，用直線段來逼近曲線(包括直線)。數(shù)控裝置將位移指令與工作臺端測得的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，使運動部件嚴(yán)格按照實際需要的位移量運動；還可利用測速元器件隨時測得驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，將速度反饋信號與速度指令信號相比較，對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速隨時進行修正。低檔數(shù)控機床最多聯(lián)動軸數(shù)為二軸或三軸，具有簡單CRT字符顯示或數(shù)碼管顯示功能，無通信功能。 數(shù)控機床可以實現(xiàn)精確、快速定位，節(jié)省了“劃線”時間。 系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖。對于點位式的數(shù)控機床，如數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等，需要點位移動控制系統(tǒng)。5) 主軸功能主軸功能就是指定主軸轉(zhuǎn)速的功能。如刀具長度補償、刀具半徑補償和刀尖圓弧半徑補償。有的CNC 系統(tǒng)還備有用戶宏程序功能(如日本FANUC系統(tǒng))。4) 進給速度處理數(shù)控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標(biāo)合成運動方向上的速度，即F 代碼的指令值。上述CNC 所示。在數(shù)控機床上采用 PLC 代替繼電器控制，能使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，響應(yīng)速度和可靠性大大提高。PLC 有了這些功能器件和單元，即可用于完成各種指定的控制任務(wù)。a. 通用型PLC 的硬件結(jié)構(gòu)通用型 PLC 所示，它是一種通用的可編程邏輯控制器，主要由中央處理單元(CPU)、存儲器、I/O 模塊及電源組成。I/O 模塊是CPU 與現(xiàn)場I/O 設(shè)備或其他外部設(shè)備之間的連接部件。(1) 接點梯形圖用梯形圖 (LD,Ladder Diagram) 法編程與傳統(tǒng)的繼電器電路圖的設(shè)計很相似，用電路元件符號來表示控制任務(wù)，直觀易理解。在用戶程序的編制中，應(yīng)用梯形圖方法編程最為普遍，語句表法的使用也較多。輸入采樣階段以掃描方式順序讀人所輸入端的狀態(tài) ( 接通狀態(tài)或是斷開狀態(tài) ) ，并將此狀態(tài)存人輸入映象寄存器中，接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段?，F(xiàn)將幾種常見名稱列舉如下： 微機可編程控制器(Microprocessor Programmable Controller，MPC) 可編程接口控制器(Programmable Interface Controller，PIC) 可編程機器控制器(Programmable Machine Controller，PMC) 可編程順序控制器(Programmable Sequence Controller，PSC) PLC在數(shù)控機床上的應(yīng)用數(shù)控機床用 PLC 可分為兩類：一類是專為實現(xiàn)數(shù)控機床順序控制而設(shè)計制造的內(nèi)裝型(builtin type)PLC，另一類是I/O 信號接口技術(shù)規(guī)范、I/O 點數(shù)、程序存儲容量以及運算和控制功能等均能滿足數(shù)控機床控制要求的獨立型(standalone type)PLC。 所示為具有獨立型PLC 的CNC機床系統(tǒng)框圖。不同的數(shù)控系統(tǒng)，與之配用的PLC也不同。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。（5）體積小，重量輕，能耗低以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。b: 工作臺的啟停、制動和點動,以及變速。選擇PLC機型時應(yīng)留有一定的余量以便滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展或工藝的改進。b：工作臺(主軸) 電動機。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。它通常采用繼電器邏輯控制方式，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，由于控制觸點多，電控系統(tǒng)故障率高，檢修周期長。根據(jù)這個原則可以制作PLC的輸入和輸出地址表。有的獨立型PLC 還可通過多個遠程終端連接器構(gòu)成有大量輸入/輸出點的網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)大范圍的集中控制。(2) 內(nèi)裝型PLC 的性能指標(biāo)(如：I/O 點數(shù)，程序最大步數(shù)，每步執(zhí)行時間、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、適用機床的類型等確定的。 圖 程序執(zhí)行過程圖所有指令執(zhí)行完畢，元件映象寄存器中所有輸出繼電器的接通或斷開狀態(tài)在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路，再驅(qū)動輸出線圈，這時的輸出是實際工作的輸出。這是可編程控制器的基本工作方式。圖中的線圈不是實際繼電器線圈，而是可編程控制器存儲器的某一位，或稱軟繼電器。PLC 配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源的電源模塊，用來對PLC 的內(nèi)部電路供電。以上這些都是在CPU 的控制下完成的。梯形圖形象直觀，工作原理易于理解和掌握。RLC 是將繼電器、接觸器、按鈕、開關(guān)等機電式控制器件用導(dǎo)線連接而成的以實現(xiàn)規(guī)定的順序控制功能的電路。(1) 控制規(guī)模不斷擴大，單臺PLC 可控制成千乃至上萬個點，多臺PLC 進行同位鏈接可控制數(shù)萬個點。插補在每個規(guī)定的周期(插補周期)內(nèi)進行一次，即在每個周期內(nèi)，按指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過若干個插補周期后，插補完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點到終點的“數(shù)據(jù)點密化”工作。存儲方式是將整個零件程序一次全部輸入到CNC系統(tǒng)內(nèi)部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調(diào)出，該方式應(yīng)用較多。10) 自診斷功能為了防止故障的發(fā)生或在發(fā)生故障后可以迅速查明故障的類型和部位，以減少停機時間，CNC 系統(tǒng)中設(shè)置了各種診斷程序。(3) 主軸定向準(zhǔn)停。4) 進給功能根據(jù)加工工藝要求，CNC 系統(tǒng)的進給功能用F 指令代碼直接指定數(shù)控機床加工的進給速度。數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能。介紹了數(shù)控機床的基本組成和工作原理。 數(shù)控機床的特點 數(shù)控機床的脈沖當(dāng)量小，位置分辨率高。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機床主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床等。這類插補算法有數(shù)字積分法、二階近似插補法、時間分割法等。脈沖增量插補的插補速度與進給速度密切相關(guān)，還受到步進電機最高運行頻率的限制。 零件的輪廓形狀是由各種線形如直線、螺旋線、拋物線、自由曲線等構(gòu)成的，用戶在加工程序中，一般僅提供描述該線形所必需的相關(guān)參數(shù)。對于自動換刀的多工序加工中心來說，回轉(zhuǎn)工作臺已成為一個不可缺少的部件。 (5) 伺服控制裝置伺服系統(tǒng)主要完成機床的運動及運動控制(包括進給運動、主軸運動、位置控制等)，它由伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動電機組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。數(shù)控機床的加工過程是：將所需的多個操作步驟(如機床的啟動或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松開、刀具的選擇和交換、切削液的開或關(guān)等)和刀具與工件之間的相對位移，以及進給速度等都用數(shù)字化的代碼來表示，按規(guī)定編寫零件加工程序并送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)分析處理與計算后發(fā)出相應(yīng)的指令控制機床的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。），達到了當(dāng)時的最高水平。并且對數(shù)控機床中的PLC做了詳細的介紹，把PLC在數(shù)控機床的工作過程，設(shè)計流程做了具體分析。因此本文介紹的即是數(shù)控機床的PLC設(shè)計。有些數(shù)控機床不用任何程序存儲載體，而是將程序清單的內(nèi)容通過數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。 這些特點較好地滿足了數(shù)控技術(shù)的要求，并能充分適應(yīng)數(shù)控加工的特點，便于實現(xiàn)自動化控制。先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)，再按數(shù)控機床規(guī)定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關(guān)的信息如工件的尺寸、刀具運動中心軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、切削進給量、背吃刀量)以及輔助操作(換刀、主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、切削液的開與關(guān))等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)數(shù)控裝置分析處理后，發(fā)出指令控制機床進行自動加工。目前，絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)只有直線插補功能和圓弧插補功能。主要用于采用交、直流伺服電機為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可以用于以步進電機為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 這類機床通常為經(jīng)濟型、中小型機床，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、調(diào)試方便等優(yōu)點，但通常輸出的扭矩值大小受到限制，而且當(dāng)輸入的頻率較高時，容易產(chǎn)生失步，難以實現(xiàn)運動部件的控制，因此已不能充分滿足數(shù)控機床日益提高功率、運動速度和加工精度的控制要求。 圖13 半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖3．按控制系統(tǒng)功能水平分類按控制系統(tǒng)的功能水平，可以把數(shù)控機床分為經(jīng)濟型、普及型、高級型三類，主要由技術(shù)參數(shù)、功能指標(biāo)、關(guān)鍵部件的功能水平來決定。數(shù)控機床的移動部件的空行程運動速度大大高于普通機床。CNC 系統(tǒng)采用了計算機作為控制部件，通常由常駐在其內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對機床運動進行實時控制。一般情況下，數(shù)控車床只需二軸控制，二軸聯(lián)動；數(shù)控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動或二軸半聯(lián)動；而加工中心一般為多軸控制，三軸聯(lián)動。(3) 進給倍率。8) 補償功能補償功能通過輸入到CNC 系統(tǒng)存儲器的補償量，根據(jù)編程軌跡重新計算刀具的運動軌跡和坐標(biāo)尺寸，從而加工出符合要求的工件。因此，對于現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)一般要求具有人機交互圖形編程功能。刀具補償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成刀具中心(刀位點)相對于工件的移動軌跡。8) 顯示CNC 系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有LED 顯示器、CRT 顯示器和LCD 顯示器，一般位于機床的控制面板上。通信接口多采用RS422/RS232C 等標(biāo)準(zhǔn)接口，以實現(xiàn)多級集散控制。為適應(yīng)順序控制的要求，PLC省去了計算機的一些數(shù)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。與RLC 比較，采用PLC 的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，工作更可靠。系統(tǒng)程序存儲器的內(nèi)容不能由用戶直接存取。智能型編程器有許多不同的應(yīng)用程序軟件包，功能齊全，適應(yīng)的編程語言和方法也較多。若采用指令語句，則圖 的梯形圖程序可表達為：RD A OR R1 AND,NOT B AND C WRT R1 RD E AND,NOT F WRT F2 其中， RD 、 OR 、 AND 、 NOT ……為指