0 引言

　　在機械制造行業日趨發展的今天，各種規模的數控加工廠越來越多。對于一個負載沉重的數控加工廠來說，數控設備的完好率已經成為影響生產的重要因素。而影響數控設備完好率的主要因素出現在一些外圍設備上，如液壓機構，氣壓機構，刀庫機構等，通過這些外圍設備的控制環節PLC為入口來分析和處理這些故障問題，是保證整個數控設備精確高效加工的重要手段。

　　PLC控制是數控系統控制中的重要環節。做為設備保障的技術人員，要清楚了解PLC所控制的外圍設備的工作流程，以及外圍設備之間的關系等，就必須對機床PLC的邏輯有個清楚的認識，本文以外設計的手動換刀為例，介紹了PLC在FIDIA系統數控加工中心刀庫中的一些應用。

1 PLC 概述

　　可編程控制器（PLC）是伴隨計算機技術而迅速發展、廣泛普及和應用的新型工業自動控制裝置。它以微型計算機為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術，在現代工業生產中具有極大的重要性，是當今工業自動控制的標準設備。PLC采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC的邏輯控制已經逐步取代了傳統的繼電器邏輯控制裝置，應用于單機或者多機控制系統以及自動化生產線上。PLC的種類很多，根據數控設備PLC的運用情況，大致可以將其分為兩類：

　　整體式PLC，如OMRON公司的CPM2A,CPM1A,C40P等，其特點是結構簡單、體積小，實現功能和控制規模較為固定（主要用在立體庫，回轉庫等）；

　　組合式，采用總線結構，即在一塊總線底板上有若干個總線槽、每個總線槽上可安裝一個PLC模塊，不同模塊實現不同功能。PLC的CPU和存儲器模塊在總線上的安裝位置一般是固定的。其他模塊可根據PLC的控制規模、實現的功能等選擇安裝在總線線路上的其他地方，這種結構的PLC特點是系統構成的靈活性比較高。大量的數控機床就是這種。

2 PLC 在數控機床中的作用

　　數控系統是現代數字控制技術的典型產品，是現代機械制造系統的重要基礎設備。隨著生產的發展，數控技術已不僅用于切削機床，同時還用于其他機械設備，如三坐標測量機、立體庫、工業機器人等。

　　數控機床除了要控制機床實現表面加工外，還要對機床實施如主軸起停、刀具更換、冷卻液開關等控制功能，這類控制都應該遵循一定的邏輯和順序關系，通常稱為順序控制。由早期的數控機床大多采用繼電器控制線路來實現到現在的PLC控制，順序控制方法逐漸走向成熟。PLC的順序控制和NC控制構成了現代大多數高檔數控機床的主要控制方式（如圖1），在控制的過程中，兩者之間既有聯系又有區別:

　　（1）NC實現坐標軸幾何運動控制；包括全閉環，半閉環系統控制，坐標軸僅給控制等；

　　（2）操作面板的控制。操作面板分為系統操作面板和機床操作面板。系統操作面板的控制信號先是進入NC，然后由NC送到PLC，控制數控機床的運行,如機床人機界面。機床操作面板控制信號，直接進入PLC，控制機床的運行,如排屑槽上的正反轉控制。

　　（3）機床外圍設備開關量輸入輸出信號控制。將機床的開關信號輸入到PLC，進行邏輯運算。這些開關信號，包括很多檢測元件信號(如：行程開關、接近開關、模式選擇開關等等),輸入信號經過邏輯轉換后, 輸出PLC輸出信號,這些信號經外圍控制電路中的繼電器、接觸器、電磁閥等輸出給要控制的外圍設備。

　　（4）換刀功能實現。系統送出T指令(換刀指令)給PLC，經過轉換后，在PLC程序中找到T代碼所指定的刀號，并與主軸刀號進行比較。如果不符，發出換刀指令，刀具換刀。

　　（5）M功能實現。NC系統送出M指令給PLC，經過轉換后，輸出控制信號，控制主軸松拉刀,正反轉等等。

　　由此可見,在數控機床中的兩種控制:NC控制和PLC順序控制，兩者相輔相成，不可或缺。

3 PLC 在FIDIA系統中的應用特點

　　FIDIA系統，以較好的穩定性和較優的性價比，在我國的數控機床行業廣泛應用。FIDIA系統所使用的編程語言AUCOL，作為意大利FIDIA公司的PLC內置語言，編程靈活，語句量大。同時它是一種操作二進制變量的FIDIA專門產品。相對于西門子，法拉克等系統的PLC程序編制方法的種類多樣，FIDIA系統只有語句表方式的編程方法（梯形圖方法廠家正在開發中），因此AUCOL語言分析研究具有一定的獨特性。

　　3.1 FIDIA 系統PLC 程序的結構

　　對于FIDIA系統機床，一般而言，主要的PLC程序有：

　　（1）自動換刀程序；

　　（2）機床輔助設備控制，如潤滑、刀庫等；

　　（3）電主軸的控制程序，如電主軸的油霧潤滑，制冷等（機械主軸無此程序）。

　　每個PLC程序都是由進程單元組成（急停檢測，液壓系統管理，刀具搜索的管理等），所謂進程，是指由PLC程序員編寫的不同時單獨運行而又相互關聯的程序。各個進程是按順序從進程1到進程2依序執行下去，如果某一個進程無效，這個進程會被跳過直接執行它后面的進程。

　　進程由變操作碼和指操作數組成。操作碼表示的是指令要完成的操作功能，操作數指變量和常量，AUCOL中的變量，以不同類型存在：

　　（1）只有CNC 用到的輸入輸出位（定義在PLCXXX.DEF中）；

　　（2）只有AUCOL用到的輸入輸出位（定義在PLCXXX.AUC中，格式：.OBIT BIT_NAME;.IBIT BIT_NAME）；

　　（3）AUCOL用到的CNC輸入輸出位；

　　（4）標準內存位（CNC 和AUCOL 公用的，定義在PLCXXX.DEF，格式：.CNCBIT中）；

　　（5）AUCOL內部的局部變量(格式：.MBIT BIT_NAME)，AU?COL 用到的全局變量（定義在PLCXXX.GBL 中，格式：.GMBITBIT_NAME）。

　　其中輸入信號做為反饋信息回CNC和PLC，而輸出信號被CNC和PLC用來管理特定的操作。

　　3.2 AUCOL 語言的應用

　　這里以北京第一機床廠的XHAD7310機床外圍輔助設備程序為例，其中包含了24個進程塊，各個進程實現的功能如下表；

　　3.2.1 進程的運行和調用

　　在整個程序中，每個進程都可以單獨運行和結束，但是P0（急停檢測進程）做為整個程序的入口初始化進程，具有重要的地位，因此最好不要停止。當所有的軟件都進行加載后開電運行，CNC會將標簽PINI做為初始標簽分配到P0中，然后AUCOL程序以轉換初始標簽的方式依次往后運行。例如：XHAD7310機床輔助設備控制程序中，先運行急停檢測主進程P0的初始加載標簽PINI，然后初始化各個AUCOL和CNC位，接著，此進程塊結束加載MAN.WT標簽進入手動程序塊，依次調入并檢查累加器電源模塊充電啟動控制位DUSMO，電源模塊驅動使能控制位DUPCE，電源模塊脈沖使能控制位DUPPE，DRTXW2,3,4使能位DUENT等AUCOL內存位是否為1，若為1則將其置0，然后檢查機床手動狀態監控位，若ID24C為1（即手動監控）則繼續檢查限位開關監控，并在限位開關監控為1 時調用自動程序塊標簽AUT.WT，依次調用并運行P2,P3等除了P1外的所有進程，最后檢查CNC內存位。P1進程不參與調用，其內容為編程人員編寫的M指令，如M08,M09等。

　　由此可見，P0進程調用了此程序中幾乎所有的子進程和子程序，在它之后，依次是各個被調用子程序以及的進程。

　　3.2.2 手動換刀子進程分析研究

　　XHAD7310機床由于刀庫設計上的缺陷如：刀臂過廠且底部過重，容易產生刀臂變形；刀庫為獨立刀庫且地基不牢，使刀臂或者倒刀缸到主軸端的位置容易變化等等情況，在自動換刀的時候經常由于位置不對出現卡死，撞頭的現象。對機床的損害很大，維修極不方便。因此，手動換刀成為了機床維護中的重點。

　　通過形成變量表，不僅能夠減少出錯，而且能夠利用注釋快速理順邏輯關系，還能夠迅速找到端口地址，幫助我們進行回路檢查。

　　　　要清楚手動換刀的具體過程，以便對程序進行完善和發展，對程序的仔細分析必不可少：

　　程序1： P15 刀臂和倒刀缸運動塊

　　P15INI: ACL MANATC ;初始加載標簽（MANATC變量位在PLC**.DEF中定義。為CNC和AUCOL公用內部變量）

　　IFEQ PEND ; MANATC位等于1時，執行以下的手動操作　　ACL DISA7 ; 將DISA7調入累加器即旋開手動允許開關　　IFEQ PEND ;若手動開關等于0 則結束　　ACL DIPCS8 ;若手動開關為1，將按鍵輸入信號ATC OUT（DIPCS8見圖4）調入累加器　　IFNE LOAD P15,P15.A05 ;若按鍵DIPCS8=1（ATC OUT）時候，加載P15.A05段　　ACL DIPCS7 ;若按鍵DIPCS8 等0 時候,按鍵輸入信號　　ATC IN（DIPCS7見圖4）加載　　IFNE LOAD P15,P15.A06　　PEND　　P15.A05:ACL DIPCS8 ;ATC OUT　　IFNE PEND ;若DIPCS8按鍵等于1(ATC OUT),結束　　ACL DIQ102 ;否則將定位缸縮回開關量DIQ102 調入累加器　　IFEQ JUMP P15.A10 ;若DIQ102等于0，執行跳轉指令　　ACL DIQ104 ;若DIQ102等于1，DIQ104（倒刀缸上位）與　　DIQ105非（倒刀缸下位）相與加載進累加器　　AND DIQ105 NG　　IFEQ JUMP P15.A15 ;若相與結果為0，執行跳轉指令　　BCLR DUYV10 ;若結果為1，輸出信號倒刀缸上位ATC縮回置0　　BSET DUYV09 ; 輸出信號倒刀缸下位ATC伸出=1　　JUMP P15END ;執行完后跳到P15END塊中　　PEND　　P15.A06:ACL DIPCS7 ;ATC IN 段　　IFNE PEND ;若DIPCS7按鍵輸入信號為1，則結束　　ACL DIQ102　　IFEQ JUMP P15.A10 ;若定位缸DIQ102 位為0，則跳到　　P15.A10塊　　ACL DIQ105　　AND DIQ104 NG　　IFEQ JUMP P15.A15 ;若DIQ105 和DIQ104 非相與結果為0則跳到P15.A15塊　　BCLR DUYV09　　BSET DUYV10　　JUMP P15END　　PEND　　P15.A10:DMSG 25 ; 顯示第25 號PLC 類報警信息即“SQ103 OFF”　　JUMP P15END　　PEND　　P15.A15:DMSG 26 ;顯示26 號信息即“SQ104 OR SQ105　　ERROR”　　JUMP P15END　　PEND　　P15END: LOAD P15,P15INI ;返回P15加載初始點　　PEND 程序2： P16 換刀動作塊　　P16INI: ACL MANATC　　DISA7 ;MANATC等于1時候將（刀庫手動允許開關）調入累加器　　IFEQ PEND　　ACL DIPCS6 ;旋轉按鈕按鍵位（DIPCS6見圖4）加載進累加器　　IFNE JUMP P16.A05 ;轉到P16.A05程序塊中　　ACL DUATC ;若按鍵為0時候，將電機控制位DUATC裝進累加器，若此控制位仍為1，馬上置0，若其為1則結束。　　IFNE BCLR DUATC　　PEND　　P16.A05:ACL DUATC　　IFNE PEND ;若電機控制信號為1 那么此塊結束，　　PAUSE 5 ;否則等待5秒后將控制電機的輸出信號置1　　BSET DUATC　　PEND

　　注：DI代表外圍數字輸入，DU代表外圍數字輸出，這里，DIP代表面板上按鍵數字輸入，DUL為面板上按鍵數字輸出。

圖4 人機界面上對應按的相關鍵輸入點

　　先將每一步的邏輯關系依次反映在結構圖上，再分析整塊進程要實現的內容。分析中形成如上圖的流程結構，有助于對冗長的進程塊進行快速的理解。

　　根據以上分析，換刀過程的步驟就明確了。結合機床在實際換刀中所處的位置，會發現，在現場操作中，容易出現這樣的問題：

　　（1）當DUYV9（倒刀缸下位刀臂伸出信號）為1時候，應該禁止X，Y，Z軸移動，因為當機床在伸出刀臂后和Y向機床運動方向的間隙就很小了，若此時Y向移動，會和整個刀臂發生接觸，甚至將安裝刀臂的刀庫位置抵變形，如何解決這個問題，這里，有三種可行方法：

　　①當DUYV9 為1 時，將AUCOL 輸出位DUSAZ，DUSAY，DUSAX（Z、Y、X控制位）置1以禁止其移動；

　　②當DUYV9為1時，調用CNC位MDPBL使其置1使坐標及主軸保持；

　　③定義一個信息變量MSG31，在DUYV9位以及坐標移動監控位同時為1的時候將MSG31置1，并將MSG31寫入到P37（見表1）中將其做為產生急停報警的條件，便可以解決手動操作中的這種安全隱患。

　　（2）另外，在進行手動操作前，主軸位置應該具備什么條件，程序里面并沒有給出，只是要求內部變量MANATC賦值為1就行，這里也出現了問題。因為主軸側有兩個定位鍵，如果主軸未能定位，刀臂在旋轉到主軸側裝刀的時候會和鍵發生碰撞，這是我們非常不想看到的現象，因此在這個操作的時候一定要先執行主軸定位指令，如果不熟悉這段程序和實際動作，后果不堪設想。

　　總之，PLC控制是站在用戶立場，以用戶需要為出發點，以直接應用于各種工業環境為目標的一種邏輯控制，是一種理論與實際結合的產品。由于PLC出廠程序是依照理論上輸入輸出間的邏輯關系編寫而成，而實際上的機床所處的安裝條件，現場環境，以及操作者的操作方法等有所不同，或者是PLC本身不夠完善，都有可能造成機床故障或是機床安全隱患，對機床PLC有比較深入的研究是解決這些問題的重要條件。

4 結束語

　　目前，對可編程控制器我國正處于引進、消化、研制的階段，普及可編程控制器技術，大力推廣其應用是當務之急。PLC的發展，在數控技術中的發展中發揮著越來越重要的作用。通過對PLC程序的理解，運用邏輯思維能力逐步診斷是我們很多時候設備故障排除的基礎。在當前工作中，PLC的分析研究是一個薄弱環節。不斷完善對機床的PLC的熟練程度，能有效提高設備維修人員發現并解決故障、了解并優化參數等的能力，促使設備維修工作向前發展。