摘要:可编程控制器广泛应用于数控机床等工业控制中，本文主要介绍了可编程控制器的工作原理、功能以及与数控机床外部设备之间的信息交换，并以我院的CK160数控车床为例说明其应用。
关键词:可编程控制器；数控机床；换刀
1引言
目前，可编程控制器(PLC)广泛应用于数控机床等工业控制中。数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分，数字控制部分包括对各坐标轴位置的连续控制，而顺序控制包括对主轴正/反转和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作的控制。现代数控机床采用PLC代替继电器控制来完成逻辑控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。
在吸收国外先进技术的基础上，小规格全功能CK160数控车床。该数控车床采用日本FANUC公司的POWERMATE0数控系统，配置全数字交流伺服装置，主轴采用进口变频器控制，数控系统内置PLC，功能指令强，使用方便、灵活、用户易懂。
现以CK160为例，说明PLC在数控机床上的应用。
2车床的PLC数控系统控制原理设计
2.1车床的操作要求
车床一般加工回转表面、螺纹等。要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换；并且能进行中步操作。
2.2PLC数控系统需解决的问题
车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：
1)如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调;
2)如何改变进给系统速度;
3)车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。
将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。
2.3数控系统的控制原理
普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取0.01mm,X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。
3数控机床改造的可行性
普通机床改造成数控机床是指对普通机床某些部位机械结构做一定的改造，加上数控装置，从而使普通机床具有数控加工能力。
机床数控化改造主要内容有以下几点：
其一是恢复原功能。对机床存在的故障部分进行诊断并恢复。
其二是NC化。在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、cnC机床。
其三是翻新。为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。
其四是技术改造或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术改造或技术创新。较大幅度地提高水平和档次。
4可编程序控制器选型
根据D-U3710组合机床动作循环图、技术特性，确定采用东芝EX系列可编程控制器。东芝EX系列可编程控制器与其他类型的可编程控制器相比，体积小，耗电量小，装置时间短，耐大电流冲击，可靠性极高，尤其是采用与众不同的图形液晶读/写程序编写器，可以在其显示器上监视程序的编排、修改，一目了然，非常直观。通过系统分析，D-3701组合机床的输入点为24个、输出点为19个，所以选用东芝EX系列可编程控制器的基木单元EX-40H+扩展单元EX20来完成。EX-40H+EX20的输入点为36个、输出点24个，大于系统所确定的I/O数，为此使用EX-40H+EX20是可行的。
在确定系统所需的I/O数后，还需进一步确定输入量、输出量的元件号，输入/输出继电器的元件号与它们对应的I/O号所接的端子编号是一致的，做好这一步就为绘制硬件接线图做好了准备。在此过程中应列一张地址分配表，标明各信号的名称、代号和分配的元件号。如果需要还应列出信号的有效状态，是上升沿有效还是下降沿有效，是高电平有效还是低电平有效等;对于开关量输入信号还应列出是常开触点还是常闭触点，触点在什么条件下接通或断开。为输入量、输出量分配好元件号后，下一步就可设计出可编程序控制器的硬件接线图以及其他电气部分的原理图、接线图和安装图。
5PLC的工作过程
PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输人和输出，控制各类机械的生产过程。
PLC的工作过程即是CPU对用户程序循环扫描并顺序执行的过程：对用户程序的执行主要按三个阶段进行。
1)输入采样以扫描方式顺序读入所有输入信号的状态，并将此状态存入输入映象寄存器中。在程序执行阶段和输出刷新阶段中，输入映象寄存器中的内容不会随着实际信号变化而变化。
2)程序执行阶段程序执行按从上到下、从左到右的顺序对每条指令进行扫描，并从输入映象寄存器中和输出映象寄存器中读取有关数据，然后进行相应运算，运算结果重新存入输出映象寄存器中。
3)输出刷新在所有指令执行完后，输出映象寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
6PLC与数控机床外部设备的信息交换
PLC、系统和机床三者之间的信息交换包括如下四部分：
1)机床至PLC
机床侧的开关量信号通过PLC输入接口送至PLC中，除了极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址(X地址)均可由PLC程序设计者自行定义。
2)PLC至机床
PLC控制机床的信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址(Y地址)均可由PLC程序设计者自行定义。
3)系统至PLC
系统发出控制信号输入至PLC，所有一信号的含义及PLC的地址(F地址)均由系统制造商确定，PLC编程者只可使用，不可更改。
4)PLC至系统
PLC输出控制信号到系统，所有信号的含义及PLC的地址(G地址)均由系统制造商确定，PLC编程者只可使用，不可更改。
7PLC在数控机床中的功能
1)操作面板的控制
操作面板分机床操作面板和系统操作面板机床操作面板上的控制信号直接送入PLC，系统操作面板上控制信号由系统送到PLC，控制数控系统的运行。
2)机床外部开关输人信号
将机床侧的开关信号送入PLC，进行逻辑运算。这些控制开关包括行程开关、接近开关、压力开关等。
3)输出信号控制
PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器、电磁阀、信号灯等输出给控制对象。
4)T功能实现
系统送出T代码指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与现行刀号进行比较，如果不符，发出换刀指令，刀盘换刀，到位停止，系统发出完成信号。
5)M功能实现
系统送出M代码指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正/反转和启动/停止、卡盘的夹紧和松开、冷却液的开关等。M功能完成时，系统发出完成信号。
8应用举例
下面是PLC在CK160数控车床六工位数控刀盘上的应用：
系统送出T代码指令(T00～T31二进制代码)，经TMF时间(参数设定)，发出T代码读指令信号TF,PLC读入T代码，译码后，找到T代码指定的刀号，并与现行刀号进行比较，如果不符，刀盘正转换刀，到位反转1秒锁紧，换刀停止，系统发出完成信号。换刀梯形图如图1所示。
梯形图中的功能指令MOVE用于逻辑乘后数据转移，屏蔽二进制数据的高四位，完成刀具当前位置的传送;COIN用于刀具符合检查，完成目标刀号与当前刀号的比较;TMRB用于定时。梯形图中的信号地址见表1。
应用PLC的逻辑控制技术，可以大大简化强电控制线路，提高工业产品的可靠性，随着其性能的进一步提高和完善，必将进人更多的工控领域。
参考文献
[1]卓迪仕.数控技术及应用「M].北京:国防工业出版社.1997.
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