國產plc數控系統中電氣控制的應用
國產plc數控系統中電氣控制的應用
一、plc簡介
PLC的最核心部分為中央處理器，即CPU，其包括存儲器 與CPU兩個部分。一般中小型的PLCCUP通常是8位或者16位的微處理器，控制器為單片機。PLC的存儲器也有兩個部分，分別是系統程序存儲器與用戶 程序存儲器。其中監控、命令解釋、故障診斷以及鍵盤輸入處理與調用管理、功能子程序等均存儲于系統存儲器中；而一些編程輸入的程序則存儲于用戶程序存儲器 中。由此可見，PLC其實質屬于一種專用的計算機，其組成形式近似于微機，具體而言，PLC的主要組成部分包括：CPU，即微處理器、用戶輸入輸出模塊、 輸入輸出的擴展接口、相關的外圍設備與電源等。
其中PLC的I/O接口模塊的主要作用是連接CPU與作業現場，其包括開關量I/O接口、智能I/O接口以及模擬量I/O接口和通訊接口等，在實際應用過程中，用戶可以按照自身的需求選擇，進行不同功能的擴展，從而組成與實際生產要求相符的PLC控制系統。
通常PLC內置型與獨立型兩種。內置型PLC是指其包含在CNC裝置中，屬于CNC的一個組成部分，通常這種PLC不再另配I/O接口，而是與CNC 共用I/O接口進行輸出與輸出；獨立型PLC則自身具備完整的軟硬件，可以獨立完成CNC的任務要求，這種PLC有自己的獨立的I/O接口，比較有利用后 續的功能擴展。
PLC的優勢主要體現在以下幾個方面：第一，傳統機床無法加工的曲面、曲線等工件可以通過PLC加工出來，因為計算機可以將每個坐標軸的瞬時運動量準 確的計算出來，從而復合為復雜的曲線、曲面。第二，能夠實現柔性自動化的加工模式，與傳統的機床相比，其工作效率可以提高七倍。計算機的記憶存儲功能可以 存儲輸入的程序，只需自動執行程序即可完成自動控制。第三，加工出來的工件尺寸分散小、精度高，使得裝配更加容易。第四，多工序集中處理，從而工件可以不 必在機床間被頻繁移動。第五，PLC擁有各種自動報警、監控及自動補償等功能，長時間無人看管也可自動加工，解放了勞動力。
二、PLC的整體設計
通常一臺車床的加工控制系統包括控制模塊、伺服單元、控制面板、編碼器、顯示器、刀庫以及機床的外部信號和手脈等幾個部分。如果控制系統所用的是內置型PLC，則要把PLC集成至控制單元中，在CNC與 PLC之間進行內部控制信號的雙向傳遞；CNC控制伺服單元，編碼器向伺服單元反饋位置信號；其它的操作面板、機床外部信號以及刀庫等均由PLC通過位置 反饋半閉環控制的方法進行控制。
CNC與PLC共同組成控制模塊，再連接伺服單元、操作面板、刀庫及機床的外部信號進行信號傳輸；在加工過程中，可以通過PLC的輸入模塊、限位開關以及 脈沖編編碼器等模塊實時采集設備運行狀態的數據，再將整理過的數據傳輸至控制模塊，做相應的運算，此時控制模塊會參照顯示器與操作面板所顯示范操作指令結 合前面的計算結果，最終完成加工過程及其相關的數據處理。
三、PLC在數控機床中的安全互鎖
（一）安全互鎖
我們可以假設現在有A、B兩個加工過程，基于安全角度考慮，A動作后會對B動作有所限制，則這種限制則稱為A對B有安全互鎖，如果A與B互有安全互鎖功 能，則稱其為雙向安全互鎖。PLC在異常的情況下，要有安全互鎖功能緊急保護設備與操作者，而且要向操作者發出報警。所以在設計時要詳細分析易出現事故的 工作環境，在電氣設計過程中實現安全互鎖功能。
（二）急停
如果發生了緊急情況，操作人員要按下急停按鈕，以防止出現事故或者事故進一步擴大，所以爭停按鈕非常重要，必須保證其可以將各運動部件及時停止，比如 進給軸、刀架以及主軸等等。目前常見的作法是按下急停按鈕除了控制電源外，其它的動力電源全部關閉。還可以按停急停按鈕將各運動部件驅動器的使能信號切 斷，不過這種方法不適用于驅動器失控的情況下。在電氣設計中，急停的安全互鎖是必不可少的。
（三）限位
如果進給軸或者其它移動部件有位置要求，超出了設計的行程范圍，則要利用限位信號對其予以保護。通常限位信號不僅要在出現限位時禁止移動部件發生移 動，而且還要向NC發出限位方向的通知，從而如果脫離限位狀態是通過超程解除等方法來實現的情況下，不會出現由于誤操作而導致超行程的進一步擴大，即只允 許移動部件向著限位方向的反方向移動限位。通常這種安全互鎖在電氣設計與軟件設計時可以實現。
（四）進給驅動裝置
一般數據機床自動加工過程中的進給運動需要由至少兩個或者以上的進給驅動裝置共同完成，所以如果其中一個驅動裝置發生報警，則自動加工裝態就要停止。通常在軟件設計過程中，即可實現這種驅動裝置的安全互鎖。
（五）主軸單元
機床的刀具或者工件所產生的切削運動是由數控機床的 主軸回轉運動所帶動的，主軸單元的安全互鎖主要包括以下幾點要求：第一，如果主軸出現報警，則要立刻停止自動加工，以避免刀具或者主軸被損壞；第二，如果 主軸的檔位有數個，則主軸未成功換擋的情況下要禁止機床繼續自動加工以及主軸不可再連續運動；第三，如果主軸處于運動的狀誠，要絕對禁止需要主軸靜止才能 操作的過程，比如自動換刀或者刀具的松緊等。通常在進行軟件設計時可以實現前兩點，而第三點則可以通過電氣設計來實現。
（六）三相異步電動機的換向
電機的旋轉方向可以通過更換三相異步電機任意兩相電源來實現。如果同時閉合控制正、反轉的兩個交流接觸器，就會使得在相電源的其中兩相出現短路，所以 該兩個交流接觸器控制要雙向安全互鎖。而且交流接觸器的釋放會相對滯后，如果兩個交流接觸器的控制線圈同步得電，則仍然存在一個瞬間同步接通的過程，從而 使得電源瞬時短路，所以軟件設計過程中正、反轉的安全互鎖必不可少。
（七）換刀
在換刀或者換刀不成功時，要絕對禁止主軸運動，特別是銑床，而且系統程序的自動加工進給也要同時禁止；自動換刀鏜銑床如果使用的是盤式刀庫或者機械后，則 在松、緊刀時要禁止Z軸移動。當自動換刀鏜銑刀庫與主軸靠近時，Z軸要禁止移動，在刀具未被夾緊的情況下，主軸要禁止旋轉，機床的自動進給同樣要禁止。
四、調試
按照相關要求對數控控制柜、現場接線進行全面檢查后，就要進行成套設備的聯機調試，在通電的情況下，出于安全考慮，要準備隨時按急停按鈕以便即時切斷 電源。通常調試的基本步驟如下：第一步，進行通電試車，在通電后先觀察是否有報警，再將其它各部件手動啟動，對導軌的運行狀況、部件的運轉情況、安全裝置 的作用等進行測量；第二步，程序的調試，利用通訊接口將事前編好的梯形圖傳送至控制系統，再由監視功能調試梯形圖程序；第三步，調試伺服系統，以保證機床的運行效率；此外還要對機床的運行參數做進一步的優化，以保證系統處于最佳的工作狀態。
