本文介紹的典型數(shù)控銑床主要由機(jī)床操作面板、X、Y、Z 三個(gè)直線坐標(biāo)軸、上軸及機(jī)床的液壓、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)等機(jī)床輔助功能組成。機(jī)床的電氣系統(tǒng)包括數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC)、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)及機(jī)床輸入輸出PLC控制系統(tǒng)等。
本電氣系統(tǒng)主要完成人機(jī)對(duì)話和對(duì)三坐標(biāo)機(jī)床坐標(biāo)的進(jìn)給、主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)以及機(jī)床的液壓、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)等的控制。該機(jī)床的三個(gè)坐標(biāo)采用HEIDEHAIN直線光柵尺全閉環(huán)反饋方式，機(jī)床主軸為電主軸，使用施耐德變頻器控制，針對(duì)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其電氣控制系統(tǒng)配置了法國(guó)NUM公司的NUM1050全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)配置相應(yīng)的MDLUNUMDRIVE數(shù)控式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
這臺(tái)三坐標(biāo)機(jī)床的PLC 控制程序是利用NUM1050全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的內(nèi)置式PLC功能，并配以相應(yīng)的軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。因而PLC程序的靈活性和易維護(hù)性與NUM1050數(shù)控系統(tǒng)的高性能有密不可分的關(guān)系。 1 NUM1050數(shù)控系統(tǒng) NUM1050是一種開(kāi)放式的、功能強(qiáng)大的數(shù)字控制系統(tǒng)，采用64位的CPU68040，用于數(shù)據(jù)的處理和坐標(biāo)的控制，具有處理速度快、位置控制精度高等特點(diǎn)。 系統(tǒng)中的圖形功能管理CNC面板顯示和鍵盤：內(nèi)存用來(lái)存儲(chǔ)操作程序、PLC程序和用戶文件：強(qiáng)大的通訊功能使CNC既可通過(guò)RS232串口又可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊：軸控板用于控制數(shù)字軸或模擬軸的運(yùn)動(dòng)：內(nèi)置式PLC通過(guò)輸入/輸出模塊管理機(jī)床：CNC軟件則管理加工程序、機(jī)床數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)軌跡和速度以及監(jiān)控坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。 2 NUM1050內(nèi)置式PLC特點(diǎn) PLC使用NUM系統(tǒng)提供的輸入/輸出接口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)PLC的掃描周期刷新存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，PLC讀取數(shù)據(jù)是通過(guò)%I變量，而PLC輸出給外界數(shù)據(jù)是通過(guò)%Q變量進(jìn)行的。 內(nèi)置式PLC與NC之間則通過(guò)交換區(qū)交換數(shù)據(jù)，交換區(qū)中的內(nèi)容是NC與PLC之間輸入/輸出的數(shù)據(jù)。NC輸出給PLC的數(shù)據(jù)，PLC通過(guò)%R變量從交換區(qū)讀取，PLC發(fā)送到NC的數(shù)據(jù)是通過(guò)%W變量放入交換區(qū)，由NC去讀取，其掃描周期由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行。%R和%W所有變量的各字節(jié)和位都有特定的含義，專門提供給PLC用來(lái)控制NC的運(yùn)行，并協(xié)調(diào)外接設(shè)備與NC之間的動(dòng)作。 3 NUM1050 PLC程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn) NUM數(shù)控系統(tǒng)的PLC編程有梯形圖、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言(C語(yǔ)言)幾種方式，其程序都采用任務(wù)模塊和子程序模塊來(lái)設(shè)計(jì)。PLC程序的任務(wù)模塊包括：%INI、%TS0～4、%TF0～15、%TH0～15。子程序模埠%SP0～255，這些子程序可以由任務(wù)模塊調(diào)用或子程序間調(diào)用。各模塊的功能如下： 初始化任務(wù)%INI：系統(tǒng)每次上電時(shí)執(zhí)行一次。 循環(huán)任務(wù)%TS：系統(tǒng)先執(zhí)行%TS0，再按順序執(zhí)行TS1～4。%TS0的執(zhí)行周期等于每個(gè)RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制)周期，即20ms，%TS1～4每5個(gè)RTC周期(100ms)執(zhí)行一次。 后臺(tái)任務(wù)%TS 比循環(huán)任務(wù)%TS和中斷任務(wù)%TH的優(yōu)先權(quán)低，可用于等待任務(wù)的使用。后臺(tái)任務(wù)可持續(xù)數(shù)個(gè)RTC循環(huán)周期，可以被循環(huán)任務(wù)中斷。 中斷(實(shí)時(shí))任務(wù)%TH用于優(yōu)先權(quán)較高的事件而不必等待RTC循環(huán)的結(jié)束。中斷(實(shí)時(shí))任務(wù)%TH比循環(huán)任務(wù)%TS和后臺(tái)任務(wù)%TF的優(yōu)先權(quán)高。 錯(cuò)誤信息表%9999.9：機(jī)床錯(cuò)誤信息文件。 4 三坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床PLC程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) PLC程序的設(shè)計(jì)離不開(kāi)良好的軟件平臺(tái)和硬件環(huán)境，NUM1050數(shù)控系統(tǒng)為機(jī)床生產(chǎn)制造者提供了豐富的軟件資源和強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)工具。如PLCTOOL，SETTOOL，PCTOOLKIT等。它們都是基于WINDOWS平臺(tái)上使用，為機(jī)床電氣控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大的方便。其中PLCTOOL可方便地進(jìn)行PLC梯形圖或高級(jí)語(yǔ)言C的編程，備有豐富的指令集與計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器單元，圖形化的界面，使用操作靈活方便。這臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床的PLC程序正是在PLCTOOL軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)的。考慮到實(shí)際的應(yīng)用，這臺(tái)三坐標(biāo)機(jī)床采用梯形圖語(yǔ)言設(shè)計(jì)PLC程序，其優(yōu)點(diǎn)是直觀，可以動(dòng)態(tài)顯示，易于調(diào)試和維護(hù)。 利用NUM1050數(shù)控系統(tǒng)提供的輸入/輸出模塊和機(jī)床操作面板，可以非常方便地控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其他功能，因?yàn)闄C(jī)床操作面板帶有可供編程的自定義鍵。NUM系統(tǒng)提供的機(jī)床操作面板通過(guò)光纜與系統(tǒng)相連，提高了可靠性。 根據(jù)NUM1050的PLC程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)這臺(tái)三坐標(biāo)機(jī)床的PLC程序時(shí)，將該機(jī)床的各項(xiàng)功能分配給不同的模塊控制。因該機(jī)床無(wú)特殊的中斷任務(wù)，所以設(shè)計(jì)程序時(shí)使用了初始化任務(wù)%INI、循環(huán)任務(wù)%TS和子程序模塊%SP。%TS0的掃描周期為20ms，所以將重要的子程序放在%TS0中調(diào)用，機(jī)床的輔助功能如液壓、冷卻、潤(rùn)滑等則在任務(wù)模塊%TS1～3中控制，機(jī)床的坐標(biāo)、主軸及相關(guān)部分的控制由梯形圖的子程序%SP模塊承擔(dān)。三坐標(biāo)數(shù)控銑床的PLC程序結(jié)構(gòu)及每一模塊介紹如下： %INI：系統(tǒng)在其它任務(wù)執(zhí)行前調(diào)用，僅在PLC上電時(shí)執(zhí)行一次，不受PTC循環(huán)控制，主要對(duì)一些變量進(jìn)行初始化。 %TS0：調(diào)用子程序。%TS1：控制機(jī)床輔助功能導(dǎo)軌潤(rùn)滑和液壓系統(tǒng)。其中導(dǎo)軌潤(rùn)滑周期由PLC程序中的定時(shí)器控制。%TS2：控制機(jī)床冷卻系統(tǒng)�？梢栽跈C(jī)床操作面板上選擇自動(dòng)冷卻和手動(dòng)冷卻。%TS3：控制機(jī)床主軸的松刀和刀具夾緊。 %SP0：用于控制機(jī)床操作面板上的指示燈閃爍。NUM1050系統(tǒng)提供的機(jī)床操作面板上的自定義按鍵大部分帶有指示燈，在使用一些需要特別提醒的功能時(shí)，其按鍵采用指示燈閃爍的方式，以示醒目，如機(jī)床故障復(fù)位鍵、換刀完成鍵等等。%SP2：控制機(jī)床操作面板的自定義按鍵。操作面板的自定義鍵必須經(jīng)過(guò)PLC編程才能生效，而按鍵的功能則根據(jù)機(jī)床的需要來(lái)定義。根據(jù)用戶的要求，這臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床的操作面板上設(shè)計(jì)了機(jī)床啟動(dòng)、冷卻控制、主軸啟停、換刀完成、機(jī)床故障復(fù)位等功能。%SP3：控制坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)及坐標(biāo)限位的安全檢查。%SP4：M 功能譯碼，該模塊用于定義換刀結(jié)束的M06功能。%SP5：控制坐標(biāo)軸伺服使能。%SP6：該模塊控制主軸部分的所有功能，包括主軸冷卻、主軸潤(rùn)滑、刀具夾緊、主軸電機(jī)、主軸變頻器等。%SP20：機(jī)床故障信息的顯示控制。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，在顯示頁(yè)面需要及時(shí)顯示故障號(hào)和故障內(nèi)容，當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)多條故障時(shí)，系統(tǒng)便可以按順序顯示故障，每條故障顯示的時(shí)間在本子程序模塊中設(shè)置。該模塊被其它相關(guān)模塊調(diào)用。 這臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床的所有功能和控制均由以上各模塊實(shí)現(xiàn)，其中%SP2、%SP3、%SP5和%SP6更是這臺(tái)機(jī)床PLC程序的核心。用模塊化方式設(shè)計(jì)PLC程序，可以對(duì)每一模塊進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，提高了機(jī)床調(diào)試的效率，當(dāng)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以很快找到問(wèn)題所在，而且機(jī)床的不同功能用不同的子模塊來(lái)表示，程序結(jié)構(gòu)一目了然。通過(guò)對(duì)每一個(gè)子模塊的單獨(dú)調(diào)試和最終的機(jī)電聯(lián)調(diào)，都證明了這套PLC程序的設(shè)計(jì)思想和方法是行之有效的。 5 小結(jié)這臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床經(jīng)過(guò)緊張調(diào)試后，機(jī)床工作正常，符合要求，機(jī)床達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)踐證明，這臺(tái)三坐標(biāo)機(jī)床的控制軟件設(shè)計(jì)是成功的，并且設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的有些基本模塊還具有良好的可移植性，在以后使用NUM1000系列數(shù)控的典型數(shù)控機(jī)床PLC梯形圖設(shè)計(jì)中稍加改動(dòng)使可加以使用，對(duì)以后同系列數(shù)控機(jī)床的PLC控制軟件的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。
