PLC在FIDIA系统刀库中的应用研究

0 引言

　　在机械制造行业日趋发展的今天，各种规模的数控加工厂越来越多。对于一个负载沉重的数控加工厂来说，数控设备的完好率已经成为影响生产的重要因素。而影响数控设备完好率的主要因素出现在一些外围设备上，如液压机构，气压机构，刀库机构等，通过这些外围设备的控制环节PLC为入口来分析和处理这些故障问题，是保证整个数控设备精确高效加工的重要手段。

　　PLC控制是数控系统控制中的重要环节。做为设备保障的技术人员，要清楚了解PLC所控制的外围设备的工作流程，以及外围设备之间的关系等，就必须对机床PLC的逻辑有个清楚的认识，本文以外设计的手动换刀为例，介绍了PLC在FIDIA系统数控加工中心刀库中的一些应用。

1 PLC 概述

　　可编程控制器（PLC）是伴随计算机技术而迅速发展、广泛普及和应用的新型工业自动控制装置。它以微型计算机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，在现代工业生产中具有极大的重要性，是当今工业自动控制的标准设备。PLC采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的逻辑控制已经逐步取代了传统的继电器逻辑控制装置，应用于单机或者多机控制系统以及自动化生产线上。PLC的种类很多，根据数控设备PLC的运用情况，大致可以将其分为两类：

　　整体式PLC，如OMRON公司的CPM2A,CPM1A,C40P等，其特点是结构简单、体积小，实现功能和控制规模较为固定（主要用在立体库，回转库等）；

　　组合式，采用总线结构，即在一块总线底板上有若干个总线槽、每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同模块实现不同功能。PLC的CPU和存储器模块在总线上的安装位置一般是固定的。其他模块可根据PLC的控制规模、实现的功能等选择安装在总线线路上的其他地方，这种结构的PLC特点是系统构成的灵活性比较高。大量的数控机床就是这种。

2 PLC 在数控机床中的作用

　　数控系统是现代数字控制技术的典型产品，是现代机械制造系统的重要基础设备。随着生产的发展，数控技术已不仅用于切削机床，同时还用于其他机械设备，如三坐标测量机、立体库、工业机器人等。

　　数控机床除了要控制机床实现表面加工外，还要对机床实施如主轴起停、刀具更换、冷却液开关等控制功能，这类控制都应该遵循一定的逻辑和顺序关系，通常称为顺序控制。由早期的数控机床大多采用继电器控制线路来实现到现在的PLC控制，顺序控制方法逐渐走向成熟。PLC的顺序控制和NC控制构成了现代大多数高档数控机床的主要控制方式（如图1），在控制的过程中，两者之间既有联系又有区别:

　　（1）NC实现坐标轴几何运动控制；包括全闭环，半闭环系统控制，坐标轴仅给控制等；

　　（2）操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，然后由NC送到PLC，控制数控机床的运行,如机床人机界面。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行,如排屑槽上的正反转控制。

　　（3）机床外围设备开关量输入输出信号控制。将机床的开关信号输入到PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等),输入信号经过逻辑转换后, 输出PLC输出信号,这些信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给要控制的外围设备。

　　（4）换刀功能实现。系统送出T指令(换刀指令)给PLC，经过转换后，在PLC程序中找到T代码所指定的刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀。

　　（5）M功能实现。NC系统送出M指令给PLC，经过转换后，输出控制信号，控制主轴松拉刀,正反转等等。

　　由此可见,在数控机床中的两种控制:NC控制和PLC顺序控制，两者相辅相成，不可或缺。

3 PLC 在FIDIA系统中的应用特点

　　FIDIA系统，以较好的稳定性和较优的性价比，在我国的数控机床行业广泛应用。FIDIA系统所使用的编程语言AUCOL，作为意大利FIDIA公司的PLC内置语言，编程灵活，语句量大。同时它是一种操作二进制变量的FIDIA专门产品。相对于西门子，法拉克等系统的PLC程序编制方法的种类多样，FIDIA系统只有语句表方式的编程方法（梯形图方法厂家正在开发中），因此AUCOL语言分析研究具有一定的独特性。

　　3.1 FIDIA 系统PLC 程序的结构

　　对于FIDIA系统机床，一般而言，主要的PLC程序有：

　　（1）自动换刀程序；

　　（2）机床辅助设备控制，如润滑、刀库等；

　　（3）电主轴的控制程序，如电主轴的油雾润滑，制冷等（机械主轴无此程序）。

　　每个PLC程序都是由进程单元组成（急停检测，液压系统管理，刀具搜索的管理等），所谓进程，是指由PLC程序员编写的不同时单独运行而又相互关联的程序。各个进程是按顺序从进程1到进程2依序执行下去，如果某一个进程无效，这个进程会被跳过直接执行它后面的进程。

　　进程由变操作码和指操作数组成。操作码表示的是指令要完成的操作功能，操作数指变量和常量，AUCOL中的变量，以不同类型存在：

　　（1）只有CNC 用到的输入输出位（定义在PLCXXX.DEF中）；

　　（2）只有AUCOL用到的输入输出位（定义在PLCXXX.AUC中，格式：.OBIT BIT_NAME;.IBIT BIT_NAME）；

　　（3）AUCOL用到的CNC输入输出位；

　　（4）标准内存位（CNC 和AUCOL 公用的，定义在PLCXXX.DEF，格式：.CNCBIT中）；

　　（5）AUCOL内部的局部变量(格式：.MBIT BIT_NAME)，AU?COL 用到的全局变量（定义在PLCXXX.GBL 中，格式：.GMBITBIT_NAME）。

　　其中输入信号做为反馈信息回CNC和PLC，而输出信号被CNC和PLC用来管理特定的操作。

　　3.2 AUCOL 语言的应用

　　这里以北京第一机床厂的XHAD7310机床外围辅助设备程序为例，其中包含了24个进程块，各个进程实现的功能如下表；

　　3.2.1 进程的运行和调用

　　在整个程序中，每个进程都可以单独运行和结束，但是P0（急停检测进程）做为整个程序的入口初始化进程，具有重要的地位，因此最好不要停止。当所有的软件都进行加载后开电运行，CNC会将标签PINI做为初始标签分配到P0中，然后AUCOL程序以转换初始标签的方式依次往后运行。例如：XHAD7310机床辅助设备控制程序中，先运行急停检测主进程P0的初始加载标签PINI，然后初始化各个AUCOL和CNC位，接着，此进程块结束加载MAN.WT标签进入手动程序块，依次调入并检查累加器电源模块充电启动控制位DUSMO，电源模块驱动使能控制位DUPCE，电源模块脉冲使能控制位DUPPE，DRTXW2,3,4使能位DUENT等AUCOL内存位是否为1，若为1则将其置0，然后检查机床手动状态监控位，若ID24C为1（即手动监控）则继续检查限位开关监控，并在限位开关监控为1 时调用自动程序块标签AUT.WT，依次调用并运行P2,P3等除了P1外的所有进程，最后检查CNC内存位。P1进程不参与调用，其内容为编程人员编写的M指令，如M08,M09等。

　　由此可见，P0进程调用了此程序中几乎所有的子进程和子程序，在它之后，依次是各个被调用子程序以及的进程。

　　3.2.2 手动换刀子进程分析研究

　　XHAD7310机床由于刀库设计上的缺陷如：刀臂过厂且底部过重，容易产生刀臂变形；刀库为独立刀库且地基不牢，使刀臂或者倒刀缸到主轴端的位置容易变化等等情况，在自动换刀的时候经常由于位置不对出现卡死，撞头的现象。对机床的损害很大，维修极不方便。因此，手动换刀成为了机床维护中的重点。

　　通过形成变量表，不仅能够减少出错，而且能够利用注释快速理顺逻辑关系，还能够迅速找到端口地址，帮助我们进行回路检查。

　　　　要清楚手动换刀的具体过程，以便对程序进行完善和发展，对程序的仔细分析必不可少：

　　程序1： P15 刀臂和倒刀缸运动块

　　P15INI: ACL MANATC ;初始加载标签（MANATC变量位在PLC**.DEF中定义。为CNC和AUCOL公用内部变量）

　　IFEQ PEND ; MANATC位等于1时，执行以下的手动操作　　ACL DISA7 ; 将DISA7调入累加器即旋开手动允许开关　　IFEQ PEND ;若手动开关等于0 则结束　　ACL DIPCS8 ;若手动开关为1，将按键输入信号ATC OUT（DIPCS8见图4）调入累加器　　IFNE LOAD P15,P15.A05 ;若按键DIPCS8=1（ATC OUT）时候，加载P15.A05段　　ACL DIPCS7 ;若按键DIPCS8 等0 时候,按键输入信号　　ATC IN（DIPCS7见图4）加载　　IFNE LOAD P15,P15.A06　　PEND　　P15.A05:ACL DIPCS8 ;ATC OUT　　IFNE PEND ;若DIPCS8按键等于1(ATC OUT),结束　　ACL DIQ102 ;否则将定位缸缩回开关量DIQ102 调入累加器　　IFEQ JUMP P15.A10 ;若DIQ102等于0，执行跳转指令　　ACL DIQ104 ;若DIQ102等于1，DIQ104（倒刀缸上位）与　　DIQ105非（倒刀缸下位）相与加载进累加器　　AND DIQ105 NG　　IFEQ JUMP P15.A15 ;若相与结果为0，执行跳转指令　　BCLR DUYV10 ;若结果为1，输出信号倒刀缸上位ATC缩回置0　　BSET DUYV09 ; 输出信号倒刀缸下位ATC伸出=1　　JUMP P15END ;执行完后跳到P15END块中　　PEND　　P15.A06:ACL DIPCS7 ;ATC IN 段　　IFNE PEND ;若DIPCS7按键输入信号为1，则结束　　ACL DIQ102　　IFEQ JUMP P15.A10 ;若定位缸DIQ102 位为0，则跳到　　P15.A10块　　ACL DIQ105　　AND DIQ104 NG　　IFEQ JUMP P15.A15 ;若DIQ105 和DIQ104 非相与结果为0则跳到P15.A15块　　BCLR DUYV09　　BSET DUYV10　　JUMP P15END　　PEND　　P15.A10:DMSG 25 ; 显示第25 号PLC 类报警信息即“SQ103 OFF”　　JUMP P15END　　PEND　　P15.A15:DMSG 26 ;显示26 号信息即“SQ104 OR SQ105　　ERROR”　　JUMP P15END　　PEND　　P15END: LOAD P15,P15INI ;返回P15加载初始点　　PEND 程序2： P16 换刀动作块　　P16INI: ACL MANATC　　DISA7 ;MANATC等于1时候将（刀库手动允许开关）调入累加器　　IFEQ PEND　　ACL DIPCS6 ;旋转按钮按键位（DIPCS6见图4）加载进累加器　　IFNE JUMP P16.A05 ;转到P16.A05程序块中　　ACL DUATC ;若按键为0时候，将电机控制位DUATC装进累加器，若此控制位仍为1，马上置0，若其为1则结束。　　IFNE BCLR DUATC　　PEND　　P16.A05:ACL DUATC　　IFNE PEND ;若电机控制信号为1 那么此块结束，　　PAUSE 5 ;否则等待5秒后将控制电机的输出信号置1　　BSET DUATC　　PEND

　　注：DI代表外围数字输入，DU代表外围数字输出，这里，DIP代表面板上按键数字输入，DUL为面板上按键数字输出。

图4 人机界面上对应按的相关键输入点

　　先将每一步的逻辑关系依次反映在结构图上，再分析整块进程要实现的内容。分析中形成如上图的流程结构，有助于对冗长的进程块进行快速的理解。

　　根据以上分析，换刀过程的步骤就明确了。结合机床在实际换刀中所处的位置，会发现，在现场操作中，容易出现这样的问题：

　　（1）当DUYV9（倒刀缸下位刀臂伸出信号）为1时候，应该禁止X，Y，Z轴移动，因为当机床在伸出刀臂后和Y向机床运动方向的间隙就很小了，若此时Y向移动，会和整个刀臂发生接触，甚至将安装刀臂的刀库位置抵变形，如何解决这个问题，这里，有三种可行方法：

　　①当DUYV9 为1 时，将AUCOL 输出位DUSAZ，DUSAY，DUSAX（Z、Y、X控制位）置1以禁止其移动；

　　②当DUYV9为1时，调用CNC位MDPBL使其置1使坐标及主轴保持；

　　③定义一个信息变量MSG31，在DUYV9位以及坐标移动监控位同时为1的时候将MSG31置1，并将MSG31写入到P37（见表1）中将其做为产生急停报警的条件，便可以解决手动操作中的这种安全隐患。

　　（2）另外，在进行手动操作前，主轴位置应该具备什么条件，程序里面并没有给出，只是要求内部变量MANATC赋值为1就行，这里也出现了问题。因为主轴侧有两个定位键，如果主轴未能定位，刀臂在旋转到主轴侧装刀的时候会和键发生碰撞，这是我们非常不想看到的现象，因此在这个操作的时候一定要先执行主轴定位指令，如果不熟悉这段程序和实际动作，后果不堪设想。

　　总之，PLC控制是站在用户立场，以用户需要为出发点，以直接应用于各种工业环境为目标的一种逻辑控制，是一种理论与实际结合的产品。由于PLC出厂程序是依照理论上输入输出间的逻辑关系编写而成，而实际上的机床所处的安装条件，现场环境，以及操作者的操作方法等有所不同，或者是PLC本身不够完善，都有可能造成机床故障或是机床安全隐患，对机床PLC有比较深入的研究是解决这些问题的重要条件。

4 结束语

　　目前，对可编程控制器我国正处于引进、消化、研制的阶段，普及可编程控制器技术，大力推广其应用是当务之急。PLC的发展，在数控技术中的发展中发挥着越来越重要的作用。通过对PLC程序的理解，运用逻辑思维能力逐步诊断是我们很多时候设备故障排除的基础。在当前工作中，PLC的分析研究是一个薄弱环节。不断完善对机床的PLC的熟练程度，能有效提高设备维修人员发现并解决故障、了解并优化参数等的能力，促使设备维修工作向前发展。