隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)作為必備的基礎設備，已成為當今先進制造技術(shù)的一個重要組成部分。但由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展、人機界面不靈活等缺點日益顯現(xiàn)，使計算機技術(shù)發(fā)展的最新成果無法得到及時運用，嚴重地阻礙了數(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，極大地增強控制系統(tǒng)的柔性和適應性。目前歐洲、美國、日本都成立了開放式數(shù)控的研究機構(gòu)，它們的發(fā)展計劃代號分別為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對于開放式系統(tǒng)的定義，一個開放式系統(tǒng)具有以下能力：經(jīng)過恰當實現(xiàn)的應用程序能夠在不同廠商的多個平臺上運行，能夠與其它系統(tǒng)的應用程序互操作，并且能夠提供一致性的人機交互界面。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機構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以共享計算機的一部分軟件和硬件資源，計算機的作用在于進行輔助編程、監(jiān)控、編排工藝等工作。

　　1.2 通用PC+開放式運動控制器

　　完全以PC為硬件平臺構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，其主要部件是計算機和運動控制器。機床的運動控制和邏輯控制功能由獨立的運動控制器完成，具有開放性的運動控制器是該系統(tǒng)的核心部分。目前國際上對于這種體系結(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)，以應用軟件的形式實現(xiàn)運動控制。目前國際上對于這種體系結(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機的價格、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

　　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)，采用運動控制器與用PC機為核心，運動控制器插在其PCI標準插槽上。PLC輔助控制模塊通過輸入／輸出接口與運動控制器相聯(lián)接。針對運動控制器進行功能擴展，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

　　系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)平臺主要包括通用PC機、運動控制器、PLC、驅(qū)動器、步進電機、變頻器、主軸電機、電動刀架、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，PC機為軟件的開發(fā)提供平臺，主要是開發(fā)自主的軟件控制系統(tǒng)；運動控制器可以對機床進行多軸的軌跡控制，其內(nèi)部提供了典型的插補算法，如直線插補、圓弧插補等，運動控制器還提供了數(shù)字量的輸入／輸出接口，與PLC實現(xiàn)通信，驅(qū)動器通過運動控制器控制步迸電機的多軸協(xié)調(diào)運動。

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

　　其中，硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為

　　1)在PC機和運動控制器的基礎上，設計基于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)輔助模塊的設計。

　　2)利用變頻器，實現(xiàn)主軸的變頻調(diào)速，實現(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PLC的控制，實現(xiàn)對機床運動及加工過程的協(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：人機界面模塊、在線仿真模塊、自動加工模塊、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。由于整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，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G代碼的含義并在各個模塊間進行傳輸。

　　3)自動加工的實時性和各模塊之間的同步。加工是整個系統(tǒng)最重要的功能，所以必須使其實時性得到保證；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)各種算法的實現(xiàn)。刀補算法、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的設計分析

　　PLC主要用來實現(xiàn)數(shù)控車系統(tǒng)中的輔助功能，通過對軟繼電器的邏輯控制，實現(xiàn)輸出點的不同組合，完成數(shù)控車系統(tǒng)的順序控制。在PLC程序設計時，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，保證整個系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)PLC控制系統(tǒng)的設計流程，首先要明確PLC的控制對象。

　　3.1 分解被控對象

　　將被控對象按功能進行分解，這樣便于確定PLC的資源分配，是化整為零的設計思路。數(shù)控車電氣控制系統(tǒng)根據(jù)設計的控制功能，其進給傳動控制，由運動控制卡和步進電機來實現(xiàn)。PLC主要實現(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、夾具的自動夾緊和松開功能、尾座的前進和后退功能。因此，被控對象是主軸電機、電動刀架、冷卻液電機、液壓系統(tǒng)控制下的夾具與尾座。

　　3.2 確定I/O點

　　合理的確定I／O點，對于PLC的選型和PLC系統(tǒng)的設計非常重要。根據(jù)分解后的各個功能項，仔細分析輸入信號和輸出設備所需的信號的數(shù)量，以便確定I／O點。在確定I／O點時，輸入與輸出要相結(jié)合，同時考慮，才能做出正確合理的判斷。

　　1)輸入點分析

　　主軸控制。主要包括主軸的速度控制和起停控制，速度控制要實現(xiàn)無級調(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)，也就是在輸人信號時由一個模擬量輸入，在上位機上，可以通過運動控制卡輸入，也為一個模擬量輸入。指定多檔調(diào)速，在變頻器上有相應的4個點，能進行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個輸入量，所以共需要7個輸入點。PLC所需輸入／輸出點數(shù)量確定結(jié)果。

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

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

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

　　2)輸出點分析

　　變頻器。變頻器對主軸電機的控制需要6個數(shù)字量和1個模擬量，4個數(shù)字量的不同二進制編碼組合，實現(xiàn)15檔調(diào)速，模擬量實現(xiàn)無極調(diào)速。刀架控制卡。刀架控制卡對刀架的控制，需要兩個數(shù)字量。

　　電機接觸器。電機接觸器用來控制冷卻液電機的起、停。選用常開觸點的接觸器。在啟動電機時，給一個高電平數(shù)字量，電機啟動。

　　控制夾具電磁閥。兩位的電磁閥，需要兩個輸出數(shù)字量。

　　控制尾座電磁閥。三位的電磁閥，可通過3個數(shù)字量控制。

　　在PLC的選型中，除了以輸入／輸出點為設計標準之外，還要注意CPU本身具有的擴展能力強弱。

　　3.3 PLC配線圖

　　確定了系統(tǒng)的被控對象和PLC的CPU和擴展型號之后，PLC的線路設計硬件設計的最后工作。線路設計也就是整個系統(tǒng)的布線，電路的連接，各個電器的有機組合。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算元件和檢測元件。不僅大大的簡化了系統(tǒng)的復雜程度，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的機床電氣控制系統(tǒng)對機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的控制設備。對于主軸的調(diào)速功能采用了比較先進的變頻調(diào)速，這樣就極大的簡化了主軸箱的齒輪調(diào)速機構(gòu)，只需將主軸驅(qū)動電機直接與主軸相連即可。PLC控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸入／輸出點配線圖如圖3所示。

4 基于變頻器的主軸控制系統(tǒng)設計

　　4.1 變頻器的選型

　　變頻器的選型，主要是從品牌和型號兩方面進行選擇。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)的價格相對比較低，進口產(chǎn)品則在功能方面比較全面。僅從實現(xiàn)本設計的要求來說，考慮到便于推廣和降低成本，可以選擇國有的知名品牌。但是作為單機試驗項目，為了今后系統(tǒng)的擴展和開發(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)服務提供都比較完善。型號的選擇主要根據(jù)以下幾點因素

　　(1)電動機的功率；

　　(2)電動機的輸出類型；

　　(3)電動機的額定電壓、額定電流；

　　(4)轉(zhuǎn)矩過載能力。

　　主軸電機的功率為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 主軸控制程序設計

　　主軸控制程序?qū)崿F(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)／停止／調(diào)速。主軸電機主要通過變頻器控制，所以根據(jù)變頻器所需的信號組合，控制PLC的輸出的信號組合實現(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、硬件平臺的總體設計框架，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)。在整個數(shù)控體系中，通過PLC與PC機和運動控制器的相互通信，實現(xiàn)了由PC機統(tǒng)一協(xié)調(diào)動作過程，使數(shù)控系統(tǒng)充分利用PC機豐富的軟硬件資源和技術(shù)優(yōu)勢，通過模塊化程序設計，使系統(tǒng)的通用性、擴展性和可移植性得到提高。

　　系統(tǒng)由PLC模塊作為動作執(zhí)行控制核心，實現(xiàn)了對變頻器、電動刀架、機械系統(tǒng)移動部件及液壓系統(tǒng)輔助功能的動作控制，PLC的獨立性、可擴展性、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。