2.4 数控机床的可编程控制器
2.4.1 概述
在数控机床中，除了对各坐标轴运动进行位置控制之外，还需要对诸如主轴正转、反转及停止，刀具交换，工件的扣紧及松开，切削液的开、关以及润滑系统的运行等进行顺序控制。同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的控制和机床报警处理等。在现代数控机床中通常采用可编程控制器来完成以上这些功能。
国际电工委员会对可编程控制器的定义为：可编程控制器是一种数学运算电子系统，专为工业环境下运用而设计。它采用可编程的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令。并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其辅助设备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计。可编程控制器简称PLC。
PLC是专门为工业控制设计的控制器，实质上是专门服务于工业控制领域的计算机系统，它是一种通用的产品，它具有以下特点。
a.编程简单。
b.通用性好。
c.功能强，体积小，重量轻，性能价格比高。
d.可靠性高，抗干扰能力强。
e.减少了控制系统设计及施工的工作量。
2.4.2 PLC的原理
（1） PLC的构成
图2-12为PLC的系统框图。由此可见，PLC应用了计算机技术。它实质上是一种专用计算机，其内部采用了由大规模集成电路构成的微处理器和存储器等。
图2-12 PLC系统框图
PLC内部主要部件功能如下。
① CPU 它是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它是PLC的运算、控制中心。它接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中；诊断电源和PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。在PLC进入运行状态后，它从存储器中逐条读取用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关控制门电路，完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务，实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。
② 系统程序存储器 它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序等，并存储各种系统参数等功能。
③ 用户存储器 用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序，通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。
常用的存储器型式或存储方式有CMOS RAM、EPROM和EEPROM。CMOS RAM内存是一种高密度、低功能、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作备用电源，一旦交流电源停电，可以用锂电池来维持供电，可保存RAM内停电前的数据。EPROM存储器是一种常用的只读存储器，写入时加高电平，擦除时用紫外线照射，PLC通过写入器可将RAM区的用户程序固化到EPROM中去。EEPROM存储器是一种可用电改写的只读存储器。
④ 输入/输出模块（I/O模块） I/O模块是CPU与现场I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途的I/O组成，供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验。A/D或D/A变换以及其他功能模块等。I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接收的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常工作。I/O模块要求具有抗噪声和抗干扰功能，并与外界绝缘，因此多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波器等措施。I/O模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减、变换、互换和组合。I/O模块还配有各种发光二极管以指示各种运行状态。
⑤ 编程器 用于用户程序的编制、逻辑、调试检查和监视。还可以通过其键盘调用和显示PLC的一些内部状态和参数。它通过通信端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器可分为简易型和智能型两类。前者只能连机编程而后者既可连机编程又可脱机编程，前者通过一个专用接口与PLC连接，程序以软件模块的形式输入，各程序段先在编程器的RAM区存放，经过调试通过后，将程序复制到EPROM中。智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。
（2）PLC的工作过程
PLC的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程，PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集，用户程序的执行，各输出点的状态更新、编程器键入的响应和显示更新以及CPU自检等功能。扫描既可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。PLC的扫描过程如图2-13所示。
图2-13 PLC扫描工作过程
① 自诊断 自诊断功能可使PLC系统防患于未然，而在发生故障时尽快修复。为此每次扫描用户程序以前都对CPU、存储器、输入/输出模块等进行故障诊断，若自诊断正常便进行扫描过程，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错信息。
② 与外设通信 自诊断正常后即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便相应处理。
③ 输入现场状态 完成自诊断及与外部通信后，PLC便扫描各输入点，并将各输入存入内存中各对应的映像寄存器。此时，输入映像寄存器被刷新，接着进入解算用户逻辑阶段，在解算用户逻辑阶段或输出阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论信号如何变化，其内容保持不变直到下一个扫描周期，才重新写入新输入点内容。
④ 解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从用户程序存储器的最低地址（0000H）存放的第一条程序开始，在无跳转的情况下按存储器地址递增的方向顺序扫描用户程序，按用户程序进行逻辑判断和算术运算，因此称为解算用户逻辑。
⑤ 输出结果 在所有指令执行完毕后，输出映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在此阶段转存到输出存储寄存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
重复执行上述的三个阶段，每重复一次就是一个工作周期，工作周期的长短与程序的长短有关。
2.4.3 数控机床中PLC的功能
（1）机床操作面板控制
将操作面板上的控制信号直接送入数控系统的接口信号区，以控制数控系统的运行。其中，包括M、S、T功能。
① S功能处理 主轴转速可以用S二位代码或四位代码直接指定。在PLC中可以容易地用四位代码直接指定转速。如某数控机床主轴的最高、最低转速分别为3150r/min和20r/min，CNC送出S四位代码至PLC，将二-十进制数转换为二进制数后送到限位器，当S代码大于3150时，限制S为3150，当S代码小于20时，限制S为20。此数值送到D/A转换器，转换成20～3150r/min相对应的输出电压，作为转速指令控制主轴的转速。
② T功能处理 数控机床通过PLC可管理刀库，进行刀具自动交换。处理的信息包括刀库选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。
③ M处理功能 M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换挡变速，主轴准停，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。
（2）机床外部开关输入信号控制
将机床侧的开关信号送入PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。这些控制开关包括各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等。
（3）输出信号控制
PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阀，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却泵电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。
（4）伺服控制
通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。
（5）报警处理控制
PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报警标志位置开启，数控系统便显示报警信号及报警文本以方便故障诊断。
（6）软盘驱动装置控制
有些数控机床用计算机软盘取代了传统的光电阅读机。通过控制软盘驱动装置，实现与数控系统进行零件程序、机床参数和刀具补偿等数据的传输。