張洪濤

(北京市燕科新技術總公司 北京102200)

0 引言

數(shù)控機床作為計算機控制的數(shù)控系統(tǒng)，其核心就是計算機與實時控制技術。數(shù)控機床的控制部分可以分為數(shù)字控制和順序程序控制兩部分，它們是兩個不同的控制部件。數(shù)字控制主要可以完成復雜的運算及機床坐標軸位置的移動，即控制刀具的運動軌跡和主軸運轉控制。順序程序控制主要對機床側輸入信息進行采樣和接收CNC(Computerized Numerical Controller)的M代碼S代碼T代碼等，完成對數(shù)控機床外圍部件的控制。

在數(shù)控機床控制中，數(shù)字控制和順序控制二者缺一不可，它們之間可以通過規(guī)定的接口信號進行相互間的信息交互。因此，可編程序機床控制器是數(shù)字控制與機床之間的聯(lián)系橋梁，通過它建立了機床系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的信息交互，最終完成數(shù)控機床加工的任務。

數(shù)控系統(tǒng)是在硬件的支持下，通過執(zhí)行控制軟件來進行工作的，其控制功能和特點在很大程度上取決于硬件結構［1］。在FANUC數(shù)控CNC中集成了可編程序機床控制器PMC，使數(shù)控機床的控制結構更加緊湊，人機界面友好，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。數(shù)控系統(tǒng)不僅具有了可編程序控制器的一些高級功能，而且功能更豐富，通信功能更強，保證了數(shù)控機床對某些實時性要求很高的信號得到迅速響應，大大提高了機床工作運行的可靠性。下面從數(shù)控機床的控制系統(tǒng)入手介紹它們的可編程序機床控制器編程過程。

1 運行準備

1.1 緊急停止

如果按下機床操作面板上的緊急停止按鈕，立即停止機床的移動。為了實現(xiàn)這樣的功能，在梯圖中當信號*ESP(G8.4)成為0時，機床就進入緊急停止狀態(tài)，停止機床的移動。在緊急停止按鈕回路中通常串聯(lián)超程檢測的極限開關常閉觸點，以使機床能夠在錯誤超程中停止運行。急停按鈕(X8.4)的連接是按鈕的常閉觸點，且按鈕具有自鎖功能［2］。

1.2 方式選擇

在準備就緒信號MA(F0001.7)為1時，表明CNC已經(jīng)準備就緒的事實。伺服準備就緒信號SA(F000.6)為1時，表明伺服系統(tǒng)處在能夠正常動作的狀態(tài)。報警中信號AL(F0001.0)為1，表明CNC處在報警狀態(tài)，報警狀態(tài)包括的內容有:超程報警，過熱報警，伺服報警等。只有這些信號在正常狀態(tài)下，才能進入下面的任務。

機床操作面板上，核心的操作開關就是方式選擇開關，它決定了操作目的。方式選擇信號是由MD1，MD2，MD4等信號復合構成的代碼信號。通過這些信號的組合，可以選擇各種工作方式:存儲器編輯DEIT、存儲器運行MEM、手動數(shù)據(jù)輸入MDI、手控手輪進給/增量進給INC、JOG進給。此外通過組合存儲器運行信號和ZRN信號來選擇手動參考點返回方式。

表1是發(fā)那科公司給出的方式選擇信號與確認信號的關系表，需要某種工作方式時，就要相應的組合出對應的信號提供給CNC，作為CNC的輸入信號。在機床操作面板上，選擇了一個具有六個檔位的波段開關，分別對應將要設計的數(shù)控機床的六個功能。

從表1看出，MD2信號只有在存儲器編輯功能時有信號，其余都為0。再看表3，當處于存儲器編輯的功能時，波段開關給出的信號都是0，可以取三個信號的反向信號，再進行邏輯與的操作。如果用A代表可編程序機床控制器 PMC的輸入信號X0006.0，B 代表信號 X0006.1，C 代表 X0006.2。就可以寫出下式:

表1 方式選擇信號和確認信號

表2 信號地址表

表3 輸入信號表

對于DNCI信號，任何時候都沒有信號輸入，不再給它提供輸入信號了。

DNC I(G0043.5)=(空)，在梯形圖上不再出現(xiàn)。

ZRN信號在手動參考點返回時有信號輸入，對應于表3我們可以寫出下式:

從表1再看信號MD4，它在手輪進給、JOG進給和手動參考點返回，三個功能上出現(xiàn)了輸入信號，所以就可以把單個信號出現(xiàn)時的邏輯關系分別列出，再將這三個信號進行邏輯或就可以了，如下式:

同理，我們有下式:

有了上面列出的邏輯式，可以直接寫出PMC的梯形圖。

2 手動運行

手動運行包括手動進給(JOG)，手動增量進給(INC)，手控手輪進給(MPG)三種方式。本設計采用了JOG進給與MPG進給兩種方式。工作方式通過CNC的操作方式選擇信號進行選擇。

2.1 手動(JOG)進給

設定工作方式為JOG進給，通過手動方向鍵控制的軸連續(xù)運動，當對應的軸方向鍵按下時，坐標軸以手動連續(xù)進給速度移動，松開后停止。運行的速度通過手動倍率開關設定。

通過參數(shù)(1423)設定來確定手動進給速度的100%值，再乘以由該信號選擇的倍率值則為實際的進給速度。通過設定JV0-JV15的速度倍率值，可以在0-655.34%的范圍內調整速度倍率。在機床面板上設計了16個速度倍率檔位的波段開關。手動進給倍率信號*JV0-*JV15是低電平有效信號，較為簡便的設定方法是將倍率值乘以100，加1取反后的結果設定到對應數(shù)據(jù)項中，即設定值=-(實際倍率值*100+1)，例如倍率值為20%時，設定數(shù)據(jù)為-21。都為0或都為1時倍率值為0。

2.2 手控手輪進給

如表4所示，選擇模式功能開關在手輪方式下，利用手輪軸旋擇按鈕，選擇將被移動的軸。通過旋轉機床操作面板上的手搖脈沖發(fā)生器進行對應的軸進給。每一刻度的移動量的最小單位就是最小設定單位，可以通過MP1，MP2所選擇的4種倍率下的移動量。HS1A(G18.0)指定移動X軸，HS1B(G18.1)指定移動Z軸。鍵盤上給出了手輪進給的四個速度倍率*1，*10，*100，*1000。按下某一個按鈕時，通過四個輸入按鈕信號的一種組合，用于驅動手控手輪進給移動量選擇信號MP1，MP2。

表4 手控手輪進給移動量選擇信號

2.3 參考點建立

機床坐標系的原點位置，是建立機床指標原點的唯一方法，只有在具備回參考點功能的數(shù)控機床上，才可以建立機床坐標系。

手動返回參考點:選擇手動連續(xù)進給(JOG)方式，將手動參考點返回選擇信號設為1。移動軸與移動方向，將進給軸方向選擇信號設定為1后，使希望參考點返回的軸向參考點的方向進給。確認已經(jīng)到位后，參考點返回完成信號和參考點建立信號成為1。

3 自動運行

當坐標軸完成手動調試，建立參考點以后，就可以開始進行自動運行的調試。自動加工模式是數(shù)控加工中最常用的操作模式［3］147。自動運行的內容包括自動運行的啟動、進給保持、空運行、單程序段運行、機床鎖住等。

3.1 自動運行的啟動(循環(huán)啟動)CYCLE START

啟動自動運行時，首先將CNC功能選擇在MDI編輯加工程序，加工程序編輯完成后，CNC的工作方式選擇在自動運行狀態(tài)。按動循環(huán)啟動按鈕X5.0，觸發(fā)自動運行啟動信號ST(G7.2)即可以進入運行程序。

3.2 進給保持Feed Hold

它是一種暫時中斷當前的全部自動加工程序的動作，并且保留現(xiàn)場信息的停止方式，它是最常用的自動加工停止方式。當進給保持狀態(tài)取消后，可以通過循環(huán)啟動按鈕繼續(xù)進行被中斷的自動加工程序。

3.3 單段程序SINGLE BLOCK

在自動運行中，當按下單程序段按鈕X0.0時，使單程序段信號SBK(G46.1)=1時，在執(zhí)行當前正在執(zhí)行中的程序段的指令后，進入自動運行停止狀態(tài)。

3.4 空運行DRY RUN

在自動運行中，利用手動進給速度代替程序中的進給速度的運行方式。該功能用來在機床不裝工件的情況下檢查機床的運動［4］155。

3.5 程序跳讀BLOCK SKIP

在自動運行中，在指令程序中出現(xiàn)可選程序段跳過已被指令的程序段時，若對應的可選擇程序段跳過信號為1時，則忽略該程序段，若是0則按通常方式執(zhí)行。對于需要在不同情況下選擇不同程序段跳過的情況下，由不同的控制信號進行跳段控制。

3.6 機床鎖住MC LOCK

機床鎖住是通過觀察機床位置顯示的變化，檢查刀具運行軌跡距離正確性的一種程序模擬方法，可以保持機械不運動地觀察位置顯示的變化?？梢栽诓灰苿訖C床的情況下檢測位置顯示的變化［4］155。

4 主軸功能

隨著交流調速技術的發(fā)展，目前數(shù)控機床的主軸驅動多采用交流主軸電動機配變頻器控制的方式［5］。主軸模擬量輸出是通過CNC內部附加的D/A轉換器，自動將S代碼(數(shù)字量)轉換為模擬電壓值(DC-10～10 V)的功能［6］。由于采用的是模擬主軸，所以用S指令實際輸出的是設置成DC0～10 V的模擬電壓。這個模擬電壓加到變頻器的輸入端，用變頻器控制主軸電機的運行。本設備采用了西門子MICROMASTER420系列變頻器作為主軸電機的驅動器。

S指令通過主軸轉速的命令控制方式輸出主軸轉速命令，但實際進行控制的是主軸電機，因此CNC要通過切換齒輪的信號輸出控制主軸的輸出轉速。主軸速度倍率信號的調節(jié)是用快速倍率開關調節(jié)的，它包括了60%，70%，80%，90%，100%，110%和120%共七檔倍率信號。SSIN(G33.6)=0主軸電機指令極性選擇信號，這是選擇由CNC來控制主軸電機的速度指令輸出極性的選擇信號，通過參數(shù)TCW，CWM(3706#7，#6)的設定和M03/M04的指令來確定輸出極性。

5 輔助功能

輔助功能是用于基本坐標軸運動以外其他動作控制的功能。輔助功能包括:用于指令主軸啟動，主軸停止的代碼。程序結束的輔助功能M代碼，主軸功能選通的S代碼和刀具功能選通的T代碼，還有用于指令分度臺的定位的第二輔助功能B代碼，輔助功能可以在CNC加工程序中進行編程，在執(zhí)行加工程序時，CNC對其譯碼并轉換為二進制信號傳送到PMC上。輔助功能的動作是用PMC程序控制執(zhí)行的。

我們在編制加工程序中，加入輔助功能控制指令，CNC接受以十進制數(shù)表示的輔助功能后，發(fā)出輔助功能選通脈沖信號MF(F7.0)和輔助功能代碼信號。外部輔助功能動作完成后，PMC返回輔助功能完成信號FIN(G4.3).同時CNC也發(fā)出分配結束信號，等待PMC的輔助功能完成信號。

自動換刀裝置的功能就是儲備一定數(shù)量的刀具并完成刀具的自動交換［7］。旋轉刀架是采用電機控制自動換刀的四工位裝置，它可以同時安裝四把刀具，在切削工程中由指令指定正在工作的刀具，而且可以隨時更換。旋轉刀架用電機控制換刀的過程，當電機正向旋轉時轉換刀具位置，用霍爾元件檢測位置信息。當電機旋轉到指定位置時電機停止，并且反轉進行旋轉刀架的鎖緊動作，進入工作狀態(tài)。

6 結束語

在機床各種運動功能都產(chǎn)生以后，還要經(jīng)過反復的調試，才能滿足要求。由于在設計中采用了將全部IO點都顯示在面板上，直觀的顯示出各個輸入輸出狀態(tài)，方便了機床的調試運行。該設計中，通過實際加工工件找出設計不足，反復修改調試，達到了設計目標。

［1］梅雪松.機床數(shù)控技術［M］.北京:高等教育出版社，2013.

［2］李繼中.機床數(shù)控調試技術［M］.北京:清華大學出版社，2012.

［3］樊軍慶.數(shù)控技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［4］羅敏.FANUC數(shù)控系統(tǒng)PMC編程技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2013.

［5］李夢群，馬維金，王愛玲，等.現(xiàn)代數(shù)控車床故障診斷及維修［M］.3版.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［6］龐仲華.FANUC-0iC數(shù)控系統(tǒng)完全應用手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［7］王愛玲.機床數(shù)控技術［M］.2版.北京:高等教育出版社，2013.