0 引言

　　隨著科學技術和經濟的發展，數控系統的社會需求量也日益增長。數控產業是一個國家的戰略性產業，它具有高精度、高柔性、高效率等突出優點特別在小批量多品種，復雜形狀零件的自動加工中，顯示出巨大的優越性。數控系統可以把機械加工設備的功能、效率、柔性，提高到一個新的水平，大大地改善產品的加工質量，提高生產效率，它是機電產品生產中的關鍵技術，對推動機電產品的發展有著重要地作用。由于數控系統在機械工業中的重要地位，世界上近1D年來，數控機床的數量增加了10余倍，日本數控機床品種已達1500多種，機床產品數控化率為70%，有些現代化機械加工車間，使用機床的數控率已超過90%。我國數控系統的研制還比較落后，基礎也比較薄弱，發展速度比較緩慢‘但是對于大多數企業來說，他們不一定需要高檔機床，只要中低檔就可以了，對這類數控系統還是可以自行研制的，與此同時如何提高數控系統的電氣控制性能和可靠性也就顯得特別重要。

　　我國傳統的機床控制系統都是采用繼電器、接觸器等硬件邏輯控制電路，不但接線復雜，而且經常出現故障，可靠性比較差。與傳統的繼電器控制相比，PLC控制具有可靠性高、柔性好、開發周期短以及故障自診斷等特點，特別適合應用于機床的控制和故障診斷系統，可以減少強電元件數目，提高電氣控制系統的穩定性和可靠性，從而提高產品的品質和生產效率。

1 數控銑床的基本結構和控制要求

　　本文所要介紹的這種數控銑床主要包括工控機、數控控制器、三個全數字式交流伺服驅動器、變頻器、可編程控制器PLC等幾個主要組成部分，它的簡單結構示意圖如圖1所示。其中數控控制器主要完成位置顯示、程序編制與運行、參數設置、診斷、報警和調試等功能:交流伺服驅動器完成插補運算和運動控制即G功能，控制X、Y, Z三軸的運行:變頻器完成主軸調速即S功能，控制主軸的轉速和方向:工控機主要用于狀態顯示、參數設置、程序設置和與遠程局域網進行通信等;而PLC則主要完成電氣控制系統和故障診斷方面的一些功能。

圖1 數控系統結構

　　從控制要求上來看，數控鐵床的控制可以分為主控部分和輔助控制兩部分，主控部分主要是進行主軸方向和轉速控制以及各個進給軸的控制，這需要采用PLC取代繼電器進行的強電控制，其輸出端口通過控制接觸器來控制變頻器和伺服驅動器從而達到主控的目的。車甫助控制通過把PLfa的輸入輸出端口與數控系統的其他部分相連完成故障顯示和報警以及實現M, T等功能，即數控控制器發出的M, T等功能通過PLC程序解釋來實現相應的功能，還需要實現故障檢測功能，包括外部故障檢測和PLC自診斷。PLC輸入端口與變頻器、數控控制器的故障信號輸出口相連，并且PLC能檢測包括機床的行程開關在內的其他部件的狀態，根據檢測到的信號進行顯示和報警，必要時切斷強電電源，達到故障檢測、報警和處理故障的目的，使整個系統的運行更安全可靠，另外還需要控制冷卻泵、潤滑油泵等輔助控制功能。

2 PLC選型及硬件電路設計

　　為了實現數控銑床對控制系統和故障診斷的各項要求，我們選擇了日本OMRON公司的生產的SYSMACCPM1A型可編程控制器，該控制器具有40點輸入輸出口，其中輸入24點，輸出1b點它的結構為輸入輸出一體化的組件型結構，安裝和調試比較方便，具有比較快的輸入響應速度，并且可以進行I/O口擴展。

　　PLC的I/O通道分配是根據其控制對象的特點和控制要求，將PLC的輸入輸出口與相應的電氣設備相連，達到控制和檢測的目的，具體的I/O分配如表所示。

3 PLC控制軟件設計

　　通過RS-232C通信接口，在PC機WINDOWS 98環境下根據控制要求和PLC輸入輸出地址表便可以利用梯形圖編制控制程序，控制程序在分別控制主軸和伺服進給主電路的主電源之后主要任務就是根據CNC控制器、變頻器和伺服驅動器的狀態控制相應的輸出端口的狀態，從而達到控制和故障報警直至采取相應的措施消除故障，具體的梯形圖略。

　　通常PLC本身的可靠性比較高，但是PLC外接的輸入輸出元件如接觸器、光電開關等比較容易發生故障，所以在設計軟件時，應使軟件具有檢測甚至消除故障的功能，使整個系統的可靠性大大提高，下面就數控銑床PLC的軟件設計中幾個問題進行討論。

　　(1)在銑床的軟件設計中首先注意的就是強電關斷創記龍的原則，既控制信號中只要有強電關斷的信號，則不管其他信號的狀態如何都要關斷強電。如圖2所示，只要關斷信號X2=1，則無論啟動信號狀態如何，中間繼電器M 200都被關斷，只有X2= 0時，啟動信號X1= 1才可以啟動M2(1D，同時通過常開觸點M200自鎖，在X1=0n以后，M200仍為保持狀態。

　　(2)其次要注意動作的互鎖控制，例如主軸正轉和反轉是兩個不可能同時發生的動作，此時一般需要采用互鎖控制。可以采用M 200和M210的常閉觸點為互鎖信號，分別串入M200和M21(1的控制回路中，這樣當M200和M210當中任何一個啟動的先決條件就是另一個回路必須關斷(見圖3)。而任何一個回路啟動之后又都能同時把另一個回路的控制回路關斷，從而保證兩者不可能同時動作。

　　(3)還要注意順序聯鎖控制，在數控銑床的運動控制中，有些是有嚴格的順序要求的，不能發生顛倒次序的現象。如圖4所示，這時可以采用聯鎖控制的方法，即選擇前一個動作的常開觸點，串聯在下一個動作的啟動回路中，同時將后一個動作的常閉觸點串聯在上一個動作的關斷回路中，這樣就可以使各個動作嚴格地按照設計好的順序執行，大大提高了產品的可靠性和品質。

　　影響PLC控制系統可靠性的因素很多，但是只要我們在進行軟件開發時充分考慮到系統可能出現的故障，并設計相應的防范措施。這些故障應當說大部分還是可以避免的，控制系統的運行就會更加穩定。

4 總結

　　本課題研制的數控銑床已經投入試運行，實踐證明本文所采用的OMRON可編程控制器的硬件配置和軟件設計是完全可行的，在實踐中取得了較好的效果，可以滿足批量生產的要求，并大大提高了系統的可靠性，減少了故障率，從而保證了產品的質量。整個數控銑床的自動化程度又進一步得到了提高，適應了現代工廠自動化的發展。本課題所研制的數控銑床具有十分重要的創新意義，同時為了推廣數控技術在我國的發展，本課題組還將在浙江省科委支持下，繼續研制數控磨床和鉆床等，并且與杭州開關廠合作，進行我省各個企業機床的改造，提高機械加工水平，從而推動各種企業的技術改造，既有廣闊的技術前景，又有顯著的經濟效益。