梁雪玲 张墨诗

（1.大连三垒机器股份有限公司 ； 2.大连德迈仕精密轴有限公司，辽宁省 大连市 116052）

随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的加工精度要求越来越高，更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。数控机床是实现军民机械制造工业现代化至关重要的加工设备，并早已成为机床市场的主流产品。而作为数控机床“大脑”的数控系统，既是决定数控机床性能和可靠性的关键因素，也是数控机床成本的主要组成部分。

一、数控机床与PLC的概述

（一）数控机床的组成

数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其它符号指令规定的程序，并将其译码，用计算机数字代码表示，最终经由信息载体输入相应的数控设备。数控机床由输入输出设备、CNC单元、伺服单元、驱动装置、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。

（二）PLC的技术特点

PLC是可编程控制器的简称，它是一种可编程的存储器，常用于内部程序的存储，执行各种逻辑运算、顺序控制、计数、定时、算术操作等面向用户的指令，通过数字或模拟式的输入/输出控制各类生产过程。与传统的控制方法相比，有独特的优点：

1.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造;

2.可靠性高，能在恶劣的环境中可靠地工作，具有很强的抗干扰能力;

3.适用性好，对于同一台 PLC控制器，只要改变其中软件，就可以实现对不同类型的控制要求;

4.PLC体积小巧，重量较轻，能耗较低，例如对于新型超小PLC，其底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

（三）PLC的工作原理

PLC的工作过程分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

1.输入采样阶段

PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

2.程序执行阶段

根据PLC梯形图程序“先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

3.输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

二、PLC的信息交换

PLC数据传输由以下三部分来完成，（1）PLC、（2）CNC（数控系统）、（3）MT（机床），三者之间通过适当的接口进行数据连接和传输。其接口包括以下 4个组成成分，（1）是机床至 PLC的接口、（2）PLC至机床的接口、（3）CNC至PLC的接口、（4）PLC至CNC的接口。

（一）机床至PLC：机床的相关定义信号通过连接的Ⅰ/O端子板输入到PLC，这部分程序，大多数可以由程序设计者依照自己的需求进行自定义使用，但也有少部分程序已由厂家定义，不能更改。

（二）PLC至机床：在这一过程中，使用者或者程序编程者可以根据自己的需要进行定义信号的含义，以此控制开关量所有输出信号。PLC控制机床的信号通过PLC的输出接口传送信号到机床。

（三）CNC至PLC：这部分信息传送可以通过CNC直接发送到PLC寄存器中。这部分信号和地址均已由生产方确定，不可以进行自由改动和增删。M、S、T指令是指在加工程序中的三个控制指令。这三个指令通过有序的逻辑处理后，形成译码，完成指令的传输。译码之后送入PLC相应的寄存器中，从而使机床正常运转并加工零件。

（四）PLC至CNC：PLC内部设置有信号寄存器。当开关量信号输出指令信号时，该寄存器便能接收到，最终全部信号经PLC整合，发送到CNC中。同样需要说明的是这部分信号地址与含义已固定，由生产方确定，不可以改动和增删。

三、PLC在数控机床中的工作流程

（一）输入处理：PLC将外部接收到的指令或数据有序的读取，整合后将信号输入到电路的Ⅰ/O。信号存储在Ⅰ/O映象区中相应的位置，完成信号（数据）接收的前期工作

（二）程序执行：在此阶段中，用户可以通过之前编排的若干条具体数据指令控制PLC。PLC按照固有的信号读取程序，从头到尾依次读取。

在PLC没有开始下达跳转的指令时，指令完全在存储器中将会按照一定的顺序排成，从第一条开始，按照顺序执行已有的数据程序，直到用户程序结束。然后根据逻辑运算的结果，进入到下一个数据的输出处理阶段。

（三）输出处理：在数据完成输入和执行过程后，PLC将进入进入输出刷新阶段。

四、PLC在数控机床中的控制功能

（一）对机床中控制面板的操作：运行过程中，操作面板将控制着信号发出，PLC接到信号后，随即数控系统便对机床面板进行控制。

（二）对机床的外部开关输入信号的操作：运行中，机床侧面开关将信号输出后，PLC接收到信号指令，系统就会按顺序进行逻辑运算，最后输出信号，便能够精准的控制。

（三）输出信号控制：PLC输出信号主要经过电路中的继电器、接触器电磁阀。输出信号控制刀库、机械手和回转工作台，完成PLC的信号输出过程。

（四）伺服控制：通过控制主轴和伺服驱动等一系列信号驱动装置，以此满足伺服驱动过程。

（五）侧信号：伺服驱动装置信号及强电柜信号，对出现问题的部分，给予相应的报警标志，同时给出相应的报警文本。

随着经济的不断发展，刺激了加工工业的高速发展，数控技术是加工工业中的主流技术。而伴随着PLC控制功能的不断改进和完善，将有助于数控机床的加工精度的提高，加工速度的提高，有利于提高我国加工制造业的国际竞争力。

[1]冯清秀，邓星钟.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2011

[2]程艳.数控机床故障诊断中PLC的应用研究[J].石家庄学院学报，2014，03