隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)作為必備的基礎(chǔ)設(shè)備，已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。但由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴(kuò)展、人機(jī)界面不靈活等缺點(diǎn)日益顯現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新成果無法得到及時(shí)運(yùn)用，嚴(yán)重地阻礙了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。

開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是解決市場需求變化頻繁與控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)專一固定之間的矛盾，它的出現(xiàn)適應(yīng)了現(xiàn)代技術(shù)不斷發(fā)展的需要，從而建立了統(tǒng)一的可重構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)，極大地增強(qiáng)控制系統(tǒng)的柔性和適應(yīng)性。目前歐洲、美國、日本都成立了開放式數(shù)控的研究機(jī)構(gòu)，它們的發(fā)展計(jì)劃代號(hào)分別為OSE、OS—ACA、0MAC，并已經(jīng)取得了一定的成果。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

按照IEEE對(duì)于開放式系統(tǒng)的定義，一個(gè)開放式系統(tǒng)具有以下能力：經(jīng)過恰當(dāng)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序能夠在不同廠商的多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，能夠與其它系統(tǒng)的應(yīng)用程序互操作，并且能夠提供一致性的人機(jī)交互界面。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)基本有3種結(jié)構(gòu)形式。

1.1 專用CNC+PC主板

　　采用傳統(tǒng)數(shù)控專用模板嵌入通用PC機(jī)構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以共享計(jì)算機(jī)的一部分軟件和硬件資源，計(jì)算機(jī)的作用在于進(jìn)行輔助編程、監(jiān)控、編排工藝等工作。

　　1.2 通用PC+開放式運(yùn)動(dòng)控制器

　　完全以PC為硬件平臺(tái)構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，其主要部件是計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制功能由獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制器完成，具有開放性的運(yùn)動(dòng)控制器是該系統(tǒng)的核心部分。目前國際上對(duì)于這種體系結(jié)構(gòu)的研究最具有代表性的組織是OSE(open system Environment)。

　　1.3 完全PC型

　　全軟件數(shù)控完全采用PC軟件構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，以應(yīng)用軟件的形式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。目前國際上對(duì)于這種體系結(jié)構(gòu)的研究還處于起步階段，未形成產(chǎn)品。3種方案中，OSE的PC+適配器卡的方案靈活，并且可以充分利用PC機(jī)的價(jià)格、資源、技術(shù)優(yōu)勢，具有重要的研究意義。

2 開放式數(shù)控車系統(tǒng)平臺(tái)

　　可編程控制器(PLC)是為了取代傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)而產(chǎn)生的工業(yè)控制裝置?；赑LC的開放式數(shù)控車控制系統(tǒng)，采用運(yùn)動(dòng)控制器與用PC機(jī)為核心，運(yùn)動(dòng)控制器插在其PCI標(biāo)準(zhǔn)插槽上。PLC輔助控制模塊通過輸入／輸出接口與運(yùn)動(dòng)控制器相聯(lián)接。針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行功能擴(kuò)展，用PLC完成數(shù)控系統(tǒng)的順序控制和輔助功能控制。

　　2.1 硬件系統(tǒng)平臺(tái)

　　系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)平臺(tái)主要包括通用PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、PLC、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、變頻器、主軸電機(jī)、電動(dòng)刀架、機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，PC機(jī)為軟件的開發(fā)提供平臺(tái)，主要是開發(fā)自主的軟件控制系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制器可以對(duì)機(jī)床進(jìn)行多軸的軌跡控制，其內(nèi)部提供了典型的插補(bǔ)算法，如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，運(yùn)動(dòng)控制器還提供了數(shù)字量的輸入／輸出接口，與PLC實(shí)現(xiàn)通信，驅(qū)動(dòng)器通過運(yùn)動(dòng)控制器控制步迸電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

　　PLC作為輔助功能的控制核心實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的順序控制；變頻器主要實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的變頻調(diào)速；電動(dòng)刀架由PLC控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能；機(jī)械系統(tǒng)提供了機(jī)床的加工平臺(tái)；液壓系統(tǒng)主要用來提供一些輔助功能的動(dòng)力，例如驅(qū)動(dòng)尾架移動(dòng)、夾具加緊等。

　　其中，硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為

　　1)在PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于PLC的電氣控制系統(tǒng)，使PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器一接觸器系統(tǒng)，完成數(shù)控系統(tǒng)輔助模塊的設(shè)計(jì)。

　　2)利用變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸的變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC的通信。

　　3)PLC與自主開發(fā)的數(shù)控車系統(tǒng)軟件之間的通信。

　　4)數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)PLC的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過程的協(xié)調(diào)控制。

　　2.2 軟件系統(tǒng)框架

　　軟件系統(tǒng)模塊主要包括：人機(jī)界面模塊、在線仿真模塊、自動(dòng)加工模塊、離線仿真模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、代碼解釋模塊和故障診斷模塊。其中，軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為

　　1)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。由于整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括很多功能子模塊，因此必須首先規(guī)劃好系統(tǒng)包括那些模塊和各模塊的功能。

　　2)各個(gè)功能模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)格式的定義。由于G代碼提供的數(shù)據(jù)格式并不適合在各個(gè)模塊之間傳輸，因此需要重新定義一種數(shù)據(jù)格式來表達(dá)G代碼的含義并在各個(gè)模塊間進(jìn)行傳輸。

　　3)自動(dòng)加工的實(shí)時(shí)性和各模塊之間的同步。加工是整個(gè)系統(tǒng)最重要的功能，所以必須使其實(shí)時(shí)性得到保證；在加工的過程中，還要執(zhí)行譯碼、仿真、診斷等過程。因此必須要保證各模塊間的同步。

　　4)各種算法的實(shí)現(xiàn)。刀補(bǔ)算法、材料去除算法、車削工藝所要求的各種功能算法(如循環(huán)車削的路徑規(guī)劃)。

3 數(shù)控車系統(tǒng)中PLC的設(shè)計(jì)分析

　　PLC主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)控車系統(tǒng)中的輔助功能，通過對(duì)軟繼電器的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)輸出點(diǎn)的不同組合，完成數(shù)控車系統(tǒng)的順序控制。在PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿足控制的基本要求，其次要注意各輸入輸出之間的安全性，并保留一定的控制冗余，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，首先要明確PLC的控制對(duì)象。

　　3.1 分解被控對(duì)象

　　將被控對(duì)象按功能進(jìn)行分解，這樣便于確定PLC的資源分配，是化整為零的設(shè)計(jì)思路。數(shù)控車電氣控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)的控制功能，其進(jìn)給傳動(dòng)控制，由運(yùn)動(dòng)控制卡和步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。PLC主要實(shí)現(xiàn)其輔助功能的控制，主要包括車床的主軸起停功能、主軸調(diào)速功能、換刀功能、冷卻液開關(guān)功能、夾具的自動(dòng)夾緊和松開功能、尾座的前進(jìn)和后退功能。因此，被控對(duì)象是主軸電機(jī)、電動(dòng)刀架、冷卻液電機(jī)、液壓系統(tǒng)控制下的夾具與尾座。

　　3.2 確定I/O點(diǎn)

　　合理的確定I／O點(diǎn)，對(duì)于PLC的選型和PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。根據(jù)分解后的各個(gè)功能項(xiàng)，仔細(xì)分析輸入信號(hào)和輸出設(shè)備所需的信號(hào)的數(shù)量，以便確定I／O點(diǎn)。在確定I／O點(diǎn)時(shí)，輸入與輸出要相結(jié)合，同時(shí)考慮，才能做出正確合理的判斷。

　　1)輸入點(diǎn)分析

　　主軸控制。主要包括主軸的速度控制和起?？刂疲俣瓤刂埔獙?shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速和指定速度的多檔調(diào)速。根據(jù)變頻器相關(guān)功能的分析，無級(jí)調(diào)速在數(shù)控面板上通過電位器調(diào)節(jié)，也就是在輸人信號(hào)時(shí)由一個(gè)模擬量輸入，在上位機(jī)上，可以通過運(yùn)動(dòng)控制卡輸入，也為一個(gè)模擬量輸入。指定多檔調(diào)速，在變頻器上有相應(yīng)的4個(gè)點(diǎn)，能進(jìn)行15位檔速的調(diào)速。所以需要4位的數(shù)字量輸入。正反轉(zhuǎn)和停止也需要3個(gè)輸入量，所以共需要7個(gè)輸入點(diǎn)。PLC所需輸入／輸出點(diǎn)數(shù)量確定結(jié)果。

　　刀具控制。本電動(dòng)刀具只控制4把刀，所以只需2個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)，利用編碼組合就可以形成4種信號(hào)。

　　冷卻液控制。冷卻液控制只有起、停兩種狀態(tài)，所以用一個(gè)數(shù)字量輸入的高電平和低電平狀態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)。

　　夾具控制。夾具控制主要是利用電磁閥的兩位控制，一個(gè)夾緊，一個(gè)松開。需要兩個(gè)數(shù)字量來實(shí)現(xiàn)。尾座控制。尾座的向前移動(dòng)，向后移動(dòng)和定位，需要三位兩通的電磁閥，所以暫時(shí)定為3個(gè)數(shù)字量。

　　2)輸出點(diǎn)分析

　　變頻器。變頻器對(duì)主軸電機(jī)的控制需要6個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量，4個(gè)數(shù)字量的不同二進(jìn)制編碼組合，實(shí)現(xiàn)15檔調(diào)速，模擬量實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。刀架控制卡。刀架控制卡對(duì)刀架的控制，需要兩個(gè)數(shù)字量。

　　電機(jī)接觸器。電機(jī)接觸器用來控制冷卻液電機(jī)的起、停。選用常開觸點(diǎn)的接觸器。在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，給一個(gè)高電平數(shù)字量，電機(jī)啟動(dòng)。

　　控制夾具電磁閥。兩位的電磁閥，需要兩個(gè)輸出數(shù)字量。

　　控制尾座電磁閥。三位的電磁閥，可通過3個(gè)數(shù)字量控制。

　　在PLC的選型中，除了以輸入／輸出點(diǎn)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之外，還要注意CPU本身具有的擴(kuò)展能力強(qiáng)弱。

　　3.3 PLC配線圖

　　確定了系統(tǒng)的被控對(duì)象和PLC的CPU和擴(kuò)展型號(hào)之后，PLC的線路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)的最后工作。線路設(shè)計(jì)也就是整個(gè)系統(tǒng)的布線，電路的連接，各個(gè)電器的有機(jī)組合。在所有的電器元件中PLC起著核心的作用。替代了傳統(tǒng)繼電器一接觸器控制系統(tǒng)中的中間繼電器等很多運(yùn)算元件和檢測元件。不僅大大的簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　從本質(zhì)幕講，基于PLC的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的控制思路仍然與繼電器一接觸器控制系統(tǒng)是一致的。只是在控制手段上采用了先進(jìn)的控制設(shè)備。對(duì)于主軸的調(diào)速功能采用了比較先進(jìn)的變頻調(diào)速，這樣就極大的簡化了主軸箱的齒輪調(diào)速機(jī)構(gòu)，只需將主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接與主軸相連即可。PLC控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸入／輸出點(diǎn)配線圖如圖3所示。

4 基于變頻器的主軸控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　4.1 變頻器的選型

　　變頻器的選型，主要是從品牌和型號(hào)兩方面進(jìn)行選擇。品牌的選擇，范圍很廣泛。目前市場上變頻器的品牌種類繁多，國產(chǎn)的價(jià)格相對(duì)比較低，進(jìn)口產(chǎn)品則在功能方面比較全面。僅從實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求來說，考慮到便于推廣和降低成本，可以選擇國有的知名品牌。但是作為單機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目，為了今后系統(tǒng)的擴(kuò)展和開發(fā)，我們選擇了西門子品牌，首先西門子變頻器與西門子PLC之間的通訊就比較方便，其次經(jīng)過市場調(diào)查，西門子品牌的市場占有也很高，變頻器的銷售和技術(shù)服務(wù)提供都比較完善。型號(hào)的選擇主要根據(jù)以下幾點(diǎn)因素

　　(1)電動(dòng)機(jī)的功率；

　　(2)電動(dòng)機(jī)的輸出類型；

　　(3)電動(dòng)機(jī)的額定電壓、額定電流；

　　(4)轉(zhuǎn)矩過載能力。

　　主軸電機(jī)的功率為3kW，輸出類型為恒轉(zhuǎn)矩輸出，額定電壓為380V AC，要求的過載能力為瞬時(shí)150 oA。根據(jù)以上要求，選擇了SIEMENS—MI—CROMASTER440(3kW)通用型變頻器(簡稱MM440型)。

　　4.2 主軸控制程序設(shè)計(jì)

　　主軸控制程序?qū)崿F(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)／停止／調(diào)速。主軸電機(jī)主要通過變頻器控制，所以根據(jù)變頻器所需的信號(hào)組合，控制PLC的輸出的信號(hào)組合實(shí)現(xiàn)主軸功能如圖4所示。

5 小結(jié)

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，文中通過對(duì)開放式數(shù)控車控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的研究，分析了數(shù)控車系統(tǒng)的軟、硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)框架，規(guī)劃了開放式數(shù)控車系統(tǒng)的控制功能，提出了數(shù)控車系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。在整個(gè)數(shù)控體系中，通過PLC與PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器的相互通信，實(shí)現(xiàn)了由PC機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)動(dòng)作過程，使數(shù)控系統(tǒng)充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源和技術(shù)優(yōu)勢，通過模塊化程序設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的通用性、擴(kuò)展性和可移植性得到提高。

　　系統(tǒng)由PLC模塊作為動(dòng)作執(zhí)行控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器、電動(dòng)刀架、機(jī)械系統(tǒng)移動(dòng)部件及液壓系統(tǒng)輔助功能的動(dòng)作控制，PLC的獨(dú)立性、可擴(kuò)展性、互換性充分的體現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)意義。