西门子模块6ES7222-1HF22-0XA8产品信息
数控机床控制系统中并非单纯的轨迹及定位控制，往往还有一些机床的逻辑动作需要相应的控制，这就要求在机床的电气控制中既有数字控制系统NC又有逻辑控制系统PLC，两者之间实现信息交换有多种方法。本文介绍了在实际设计、研制半自动提速铁路轴承内、外滚道超精机项目中，数控系统在机床伺服电机进给数控程序和机床其他动作的PLC程序控制两者之间的通信联络方法，此方法能有效地将上述两者的控制结合起来。该机床目前已制造完成用于轴承生产加工中，实践证明，该方法简单、实用，效果良好。
1 数控系统简介
数控系统中，执行数控NC功能的NCK软件程序和执行逻辑功能的PLC程序，需由用户根据机床的实际情况加以编制。软件设计中，主控程序是NcK软件程序；机床逻辑动作由NCK软件程序输出给PLc的辅助功能来完成。
1.1 输出给PLC的辅助功能
辅助功能又称M功能或M指令，是控制机床加工操作时作一些辅助动作的开／关功能，其主要用于机床加工时的工艺性指令，靠继电器的通断来实现其控制过程。辅助功能M代码是以地址M为首后跟2位数字组成，共100种(M00一M99)。机床上的各种开关操作可以通过零件程序中的M功能指令激活。M功能在使用时，每个程序段可以有5个M指令。M指令的值从O到99，为整数。其中少数几个M指令已经由系统生产厂商设置了一些固定功能，具体参见表1，其余部分可供机床生产厂商使用。
表1M功能表
1.2 PLC向NCK传送的信号
PLC用户程序和NcK(数控核心)之间通过不同的数据区可进行信号和数据的交换，PLC用户程序与交换无关，对使用者来说这是自动进行的。PLC／NCK的控制信号和状态信号会循环刷新。信号分为普通信号、运行方式信号、通道信号和进给轴／主轴信号。其中，在PLC-NcK的通道控制信号中，3200的PLC变量中的V32000006．1是读入使能禁止信号，其含义及使用方法如表2所示。
V32000006．1含义及使用方法
从表2可以看到，当对V32000006．1置“1”，禁止下一个程序段的数据传送到插补器，这时NC程序处于停止等待状态；当对v32000006．1复位清“0”，下一个程序段的数据传输给插补器，这时NC程序开始继续执行该下一程序段，通过对v32000006．1的置“1”和复位清“0”就可以实现对NC程序段的运行控制。在机床设计中，某些情况下只有结束辅助功能才可以执行下一个NC程序段，这时可以通过禁止读入信号阻止程序段的自动转换执行。
2 应用实例
半自动提速铁路轴承内、外滚道超精机的自动控制中，具有一个往复进给轴，由数控系统的进给轴输出接口控制伺服驱动系统，再由驱动系统控制交流伺服电动机，从而控制机床的进给轴往复进给运动，其余的电动机或动作由PLC输出，通过控制继电器或电磁阀来控制，其动作流程图如图1所示。
图1滚道超精机动作流程图
超精机动作流程(图1)中，所有的机床动作除了往复进给运动和工作轴电动机的粗、精超启动及停止由数控程序控制外，其余所有的机床动作皆以M功能的形式由数控程序输出到PLC。从动作流程图可以看出，芯轴插人、油石跳进等动作的命令输出后，不能马上执行下一个NC程序段，需等动作到位后才能继续NC程序，这时可在PLC程序中加入传送给NCK的读入禁止命令，停止NC程序的继续向下执行，直到该动作完成后，再由PLC向NCK发出读入使能命令，NC才能继续控制程序的执行。
这里，以油石跳进动作为例来加以说明。辅助功能M16是油石跳进命令，数控程序命令为在N20语句的程序命令中，油石跳迸命令以辅助功能M16形式给出，N30和N35语句的程序命令是进行超精加工的伺服电动机往复进给控制命令，从滚道超精机动作流程图可知，数控系统在发出油石跳进命令后，不能马上执行超精加工的伺服电动机往复进给数控动作，必须等到油石跳进到位开关动作后才能执行下面的N30和N35动作。正常情况下，NCK是一条接一条连续地读人数控程序命令并往下执行的，执行速度很快，在发出M功能指令后，NC紧接着就执行下一句程序段，这时PLC接受到的M功能指令可能还未来得及执行，数控程序已继续向下执行了。而机床要求NcK在执行完N20语句后，不能马上执行N30语句，在PLC接收到NcK发来的M16命令后，可以通过PIJC梯形图(图2)，将PLC-NcK的通道控制信号中的v32000006．1设置为读人使能禁止，禁止下一个程序段的数据传送到插补器，这样，NcK不再执行下面的N30语句，当油石跳进动作完成，油石跳进到位开关动作后，取消读人使能禁止，允许NcK读入程序即v32000006．1设置为读入使能，NcK再继续执行N30语句。
图2油石跣进动作相关梯形图
数控加工过程容易出现撞刀事故，特别是在数控技能人才的培训过程中，学员缺乏数控操作的实际经验与系统的理论知识，更容易导致撞刀事故发生。撞刀事故不仅可能对昂贵的数控机床设备造成危害，严重的话，可能造成数控机床的报废，更可怕的是可能造成人身伤害。怎样防止撞刀事故的发生，一直都是从事数控机床技术人员重点考虑的问题之一。
1 撞刀信号的检测
所谓数控机床撞刀，指的是由于各种错误而导致刀具以非正常切削速度(一般是G00指令快速移动)与工件或机床其他部件发生的碰撞。要防止撞刀事故的发生，可以考虑使用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断，并检测此时车刀的移动速度和方向，以此通过判别。当判别到刀具与工件距离在警戒范围内，且刀具快速移动朝向工件时，就认为要发生撞刀事故。此时，控制系统发生动作，并实现电机制动。信号检测方法如下。
1.1 用接近开关对刀具与工件的位置关系进行判断
由电磁场理论可知，在受到时变磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。据此原理可自制金属传感器电路。在图1中，电路由振荡电路、比较电路和整形电路三部分组成。将车刀套入传感器线圈中，检测电路接通电源后，线圈振荡产生一个交变磁场，金属工件在此磁场中移动时产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，衰减量的变化正比于金属工件和车刀的距离。振荡电路的输出幅值经过比较器进行比较，比较后的输出信号经过整形电路整形，可直接输入控制电路进行检测状态的判别。电涡流式传感器的灵敏度和线性范围与线圈产生的磁场强度和分布状况有关。接近开关的警戒距离可以通过调整传感器线圈的尺寸、形状及图1中R1的电阻来实现调节。
图1接近开关电路原理图
1.2 用HC对车刀运动方向信号及速度信号进行检测
检测车刀运动方向信号只要检测步进电机方向信号的高低电平即可。
而速度信号的检测，是采集驱动步进电机的脉冲信号，并在1个时基内采用PLC的高速脉冲计数器对该脉冲信号进行记数，将所记数与寄存器设定值比较，当1个时基内所记数大于设定值时，就可输出开关量。
2 防撞刀系统控制方案
控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，可靠性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。
PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。
图2 PLC控制流程图
PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车刀向工件方向运动，此时执行SPD指令，检测车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车刀速度为快速移动，数控车床处于要撞刀状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。
图3 PLC编程梯形图
若X12、X10均处于高电平，同样执行SPD指令，车床Z轴相应的脉冲信号由PLC的X2端子输入，并在1个时基内记数为D3，随后执行CMP比较指令，当D3大于设定的比较常数值K=3时，同样输出M3高电平信号，从而Y1输出高电平。若D3小于设定的比较常数值K=3，则说明Z轴方向处于正常状态，程序结束，进入下一个检测周期。
Y1接通后使继电器(带自锁功能)的线圈接通，从而切断X轴、y轴步进电机的脉冲控制信号。当脉冲信号输入被切断时，X轴、y轴步进电机自动进入锁相状态，约1s后进入半流锁相。Y2用于报警输出。
程序设计的一些说明。
1)关于高速输入端子。对于选用的FXlN-24M来说，不同输入端子的输入频率上限是不同的：低的，如X4、X5只有7kE引。如对GSK928TA数控车来说，刀架快速移动的速度设置为3000mm／min时，此时其对应的数控系统的输出频率为5 333 Hz，并不超过PLC的X4、X5端口的频率上限7kHz。若数控系统的CPU指令发出的脉冲信号频率超过PLC的X4、X5端口的高频率7k，其后果只会导致脉冲信号丢失漏记，不会影响到PLC对电机转速或刀具移动速度是否为“快速”的判断。
2)关于CMP指令中比较常数K值的设定问题。对于GSK928TA的Z轴，数控车Z轴的脉冲当量为0．01mm，当快速进给的速度为1 000mm／mim时，即要求在1 min的时间内发出1×105个脉冲，即脉冲频率应为1 777．7Hz，这样在5 ms内可检测的脉冲个数约为9个。由于切削进给速度一般在150 mm／min以下，此时在时基常数K设定为5ms的时基内可检测的脉冲个数多只有2个。考虑留有一定的安全裕度，在这里设定比较常数K值为3，实际过程中可根据实际随时通过修改程序进行调整。
X轴基于与Z轴类似的分析，同样设定比较常数K值为3。
程序在系统控制试验中运行正确。
接近开关警戒距离的设计
当控制系统判别要出现撞刀事故时，此时电机应进行紧急制动。为防止撞刀，显然应要求系统总的制动距离小于警戒距离。接近开关警戒距离主要根据系统总的制动距离来进行设定。
系统总的制动距离A由2个因素决定：一是控制系统的响应延时；二是克服执行机构惯性所必须的制动距离。响应延时的大小与具体的控制系统设计息息相关，而制动距离除与惯性大小有关外，还与其制动力矩有很大的关系。下面对此做出的分析。
3.1.2功放电路中锁相延时td2
在功放电路中，各个晶体管的开通时间一般在1tds以下，光耦PC上升速度响应时间约为几十微秒，若采用高速光耦则只需几微秒。功放电路中锁相延时主要是锁相电流的上升时间，对于步迸电机绕组，锁相电流的上升时间t可由公式(1)计算：
式中：i为电机锁相电流，亿为绕组驱动电压，Rα为绕组电阻和限流电阻之和，L为绕组电感。对于GSK928TA的Z轴电机，采用DF3A系列驱动器，其Vα=310V，R。为3.5 Q，由此可计算得t为0.486 ms。据此估算屯：约为0.5 ms。
3.2步进电机制动距离分析
步进电机制动距离与具体电机种类、型号及执行机构惯量等有关，下面以GSK928TA数控车系统的三应式步进电机为例分析其制动问题。
对于步进电机，当电机转过1相绕组时存入电动机中的磁能为
式中：L为相绕组的自感，i为通入绕组中的电流。
制动过程刚好与启动过程从理论上说可以参照启动的分析去处理，即若步进电机处于单相锁相制动时，转子每转过一个齿角，即就会消耗“转子”(包括电机转子及其连接部件，下同)W的能量。根据能量守恒原理，分析步进电机的制动距离，可以考虑从脉冲指令被截止后“转子”的能量需要转过几个齿角才能被消耗完来求得。
根据能量守恒原理可得：
3.3车刀总制动距离的计算
若考虑控制系统的响应延时，则车刀总的制动距离A为：
根据式(6)，以GSK928TA数控车Z轴为例，步进电机型号110BC3100C。
转子齿数Z为100，定子每相绕组电感L为18mH，锁相电流i=8 A，丝杆螺距S-6 mm。工作台重量Mg为140kg，电机转子及执行机构的转动惯量td=1.73×10-4kg·m2。根据3.1控制方案响应延时分析，系统控制方案响应延时幻约为32.5ms(继电器输出)，若车刀速度Vf=2 000 mm／min时，车刀总制动距离A=3.7 mm。
上述对于步进电机在出现撞刀事故时总制动距离的分析，对于接近开关警戒距离的设计可起到理论指导作用。
4 结语
防撞刀控制系统的设计主要应用于新程序或数控技术人员的培训中，改装方便，只需在安装车刀时套人接近开关线圈即可。实践中可灵活使用，当确认机床操作无危险时，只须关断PLC电源，防撞刀系统停止工作，不会对机床的正常使用有任何影响。
若从经济角度考虑，还可以使用一台PLC控制若干台车床的防撞刀系统，当然这样会导致控制系统响应时间加长.由于步进电机有在高频下刹车丢步的特性，在实际应用中应加以注意，即每次出现撞刀状态而导致程序运行中断时，应通过车床复位键复位，并重新设定程序零点。