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1、数控 数显加工中心数控系统内置PLC的软件结构与报警程序设计窦 凯1,刘战术2(1.广州番禺职业技术学院,511483;2.广东轻工职业技术学院,510300)摘要:结合卧式加工中心数控系统内置PLC软件的设计,给出了NC、PMC和机床侧逻辑信号之间的关系以及PMC软件的总体结构;介绍了报警程序的构建、报警信息显示和故障诊断方法,通过合理设计报警软件和报警提示信息,实现了故障的正确诊断。关键词:加工中心;PMC;软件结构;报警;故障诊断中图分类号:TG659 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2007)05-0021-04The software structure&the ala
2、rm programm design for PMC ofmachin ing center CNC systemDOU Kai1,L I U Zhan2shu2(1.Guangzhou Panyu Professional Technical College,511483;2.Guangdong Light Industry Technical College,510300)Abstract:Based on the design for PMC soft ware of horizontal machining center,the PMCs software structure and
3、thelogic signal relation within NC,PMC&machine tool side are given.The constitution of the alarm programm,the display of a2larm message&the method of trouble diagnostics are introduced.Bymeans of ploting alar m software and alarm message rea2sonably,we also achieve trouble diagnostics exactly.Key wo
4、rds:horizontalmachining center;PMC;soft ware structure;alarm;trouble diagnostics 卧式加工中心功能复杂、自动化程度较高,工作中各移动部件之间有严格的动作顺序、位置及精度要求。数控系统对移动部件顺序动作过程的实时监视与控制,由CNC内置PLC(P MC)完成。设计P MC程序时,需对机床的动作及动作的顺序关系进行全面分析和规划,才能正确地实现加工中心CNC-P MC-机床强电-伺服系统各部分之间的协调动作和故障报警。本文结合双交换工作台卧式加工中心P MC软件设计、调试工作,介绍P MC软件总体结构、报警程序设计和故
5、障诊断方法。1NC、PMC及机床侧数据联系某双交换工作台卧式加工中心采用基于工业PC的开放式数控系统(I NCON-M40F),其CNC系统的核心是32位80586CPU芯片,系统的主程序以8ms的间隔定时中断处理用户P MC程序,同一个CPU在运行中既完成NC基本功能程序的运行又完成用户P MC程序的运行,系统NC模块、P MC模块与机床本体三者之间的信号联系如图1所示,P MC主要负责NC侧和机床侧的逻辑信号处理和报警处理。图1NC-PMC-机床侧信号联系图111P MC与机床侧数据联系P MC模块直接采集第二操作面板控制信号及机床侧传感器信号,控制接触器、电磁阀等执行机械动作,P MC与
6、机床本体之间的联系十分直接,每个关联12数控 数显 加工中心数控系统内置PLC的软件结构与报警程序设计机床电器200715信号均对应着硬件上的一个I/O点。11111P MC输入信号P MC输入信号格式为:plc.gdiX.bit.bitY,其中X表示位变量组,Y表示位变量序号,每组16个点,按16进制编号。P MC的I/O信号数量较多,与本文相关或与报警相关的部分PLC输入信号如下:plc.gdi 0.bit.bit00为紧急停止按钮输入,信号名:EMG;plc.gdi0.bit.bit03为Y轴伺服系统故障输入,信号名:yAlarm;plc.gdi2.bit.bit0a为空气压力正常与否检
7、测输入,信号名:A IR_P;plc.gdi2.bit.bit0b为刀库位置正常与否检测输入,信号名:T_M_S;plc.gdi 2.bit.bit0c为冷却电机过载输入,信号名:COOL_OL。11112P MC输出信号P MC输出信号格式为:plc.gdoX.bit.bitY,X、Y编址方法与输入信号相同,主要控制显示灯、电磁阀或接触器。例如:plc.gdo0.bit.bit00为自动循环指示灯,信号名:CS_L;plc.gdo0.bit.bit06为Y轴制动输出,信号名:YBRK_VAR;plc.gdo0.bit.bit08为主轴正转输出,信号名:SPCW _VAR;plc.gdo1.b
8、it.bit0f为机床报警顶灯,信号名:ALM_L。112NC与P MC之间数据联系在NC侧,CNC向PLC发送M、S、T等辅助功能代码信息;PLC将M、S、T命令的应答信号回送给CNC,并且控制CNC设置各坐标的机床基准点。NC模块从操作界面上接受动作命令,则向P MC模块发出顺序动作信息,由P MC程序执行动作;P MC完成动作时,如需要进给轴移到准确的坐标位置或要求主轴准停,P MC模块又会向NC模块发送坐标移动或准停命令信息,由NC模块控制各轴的动作。第二操作面板的多挡工作方式转换信号要先输入到P MC,由P MC判断出目前所选择的工作方式,并向NC模块发送工作方式转换信息,CNC方能
9、进行工作方式切换。P MC程序执行中,如出现报警也要向NC模块发送信息,借助于NC模块向用户显示报警信息。如在P MC软件运行中出现急停或强电报警,则立即向NC发出显示错误信息和实时故障处理的信号。总之,P MC不象普通PLC那样独立地进行数据采集、运算、存储及输出控制,而是作为CNC实时控制程序的一部分,执行动作的同时必须和NC模块交换控制信息,因此,在编写P MC报警软件时,必须充分注意两者之间的实时数据联系。2PMC软件总体结构I NCON-M40F数控系统的P MC软件用C+语言编写,软件包括初始化、报警、工作方式判断、冷却、手动、准停、M码功能、主轴转速修调、急停等子程序模块,其流程
10、如图2所示。图2PMC主程序流程图P MC程序靠调用三个无返回值的函数来完成程序的初始化、运行和关闭,程序架构如下:Void far PLCAPI plcopen(Status sts,PlcBlock plc,unsigndint PlcDate,long3PlclongDate);/I/O点初始化/状态变量初始化/标志初始化/指针初始化Void far PLCAPIplcRun(Status sts,PlcBlock plc);22机床电器200715数控 数显 加工中心数控系统内置PLC的软件结构与报警程序设计/PLC主程序,完成各种控制功能。Void far PLCAPIplcClos
11、e(Status sts,PlcBlock plc);/PLC关闭,将数控系统的动态变量指针复位。卧式加工中心的基本控制功能(X、Y、Z轴运动控制、手轮、归零、工作方式转换、G功能,主轴准停、坐标与补偿等)由数控系统的NC软件模块实现,而刀库管理和自动换刀控制功能、双工作台交换功能、工作台定角度分度定位功能和P MC故障诊断、显示和报警功能则由P MC软件完成。3 报警程序311 报警子程序设计报警程序段处于初始化程序之后,使用if判断语句编写。其基本构成及简要说明如下:if(!SP_ALM)plc.vto0.bit.emgsp=1;/note nc emergency stop onplc.
12、error Message=msgSP;ALM_L=1;/如果主轴报警,报警顶灯闪亮,并向NC模块发送故障标志和故障信息“msgSP”。if(!A I R_P&toolChangeDevice)if(!lubAir NoEmg)plc.vto0.bit.emgsp=1;/note nc emergency stop onplc.error Message=msgA IRP;ALM_L=1;/换刀装置工作时,若压缩空气气压不足,PLC模块向NC模块发送故障标志和故障信息“msgA IRP”。if(!yAlar m)plc.vto0.bit.emgsp=1;plc.error Message=ms
13、gSERVO;ALM_L=1;/如果Y轴报警,由PLC程序接通报警顶灯,并向NC模块发送故障标志和故障信息“msgSERVO”。NC_RDY=1;/若没有故障,在报警程序段执行结束时,将控制器输出信号置“1”。312M代码子程序中的报警程序段设计M码用于实现主轴正反转、自动换刀、主轴准停、交换工作台、主轴吹气、工作台旋转定位等功能,下面以自动换刀子程序中的报警程序构建为例进行说明。s witch(plc.mCode.data)/以M码数值为变量case 6:/若M码数值为6,进入M06自动换刀子程序s witch(T_C_STEP)/以换刀步为变量case 0:/第0步,自动换刀条件if(sp
14、indleState!=SPI NDLE_OFF)/若主轴未停plc.vto0.bit.emgsp=1;/note nc emgency stop onplc.error Message=msgSPSTP;/主轴报警信息ALM_L=1;plc.tCode.data=sts.toolNo;/使用原来刀号plc.mCode.finish=1;/通知NC,M码程序结束if(plc.tCode.flag)plc.tCode.finish=1;/关闭M码标志位T_C_STEP=0;/回到换刀第0步break;/跳出换刀程序if(!sts.state1.bZHomed)若Z轴未建立坐标系plc.vto0.
15、bit.emgsp=1;plc.error Message=msgATZ;/Z轴报警信息ALM_L=1;plc.tCode.data=sts.toolNo;plc.mCode.finish=1;if(plc.tCode.flag)plc.tCode.finish=1;T_C_STEP=0;break;if(!plc.tCode.flag(plc.tCode.flag&(plc.tCode.data=sts.toolNo)plc.tCode.data maxTool)/若M06无刀号输入、新刀号与原刀号相同或刀号溢出32数控 数显 加工中心数控系统内置PLC的软件结构与报警程序设计机床电器200
16、715plc.error Message=msgToolNo;/刀号出错plc.mCode.finish=1;if(plc.tCode.flag)plc.tCode.data=sts.toolNo;plc.tCode.finish=1;T_C_STEP=0;/回到换刀第0步break;/跳出换刀程序 else T_C_STEP=T_C_STEP+1;/如果不出现上述情况,则进行下一步break;/跳出换刀程序case 1:/换刀第一步,Z快速移动至换刀位case 2:/换刀第二步,主轴准停/执行顺序换刀步骤,共14步。4 报警信息显示和故障诊断方法在P MC软件初始化程序段中,进行状态变量初始
17、化时,需要全部定义P MC程序中所有报警信息的显示文本,在卧式加工中心P MC报警程序中,共设置了25个报警信息,格式如下:static char3msgEMG=ALARM!Emergency stop ison;static char3msgSPSTP=ALARM!Stop spindle first!;static char3msgDOOR=ALARM!Close door beforepush CS for safety!;static char3msgTool No=ALARM!ToolNo Error;static char3msgATZ=ALARM!Z did not home;s
18、tatic char3msgSERVO=ALARM!Z servo driver has a2larm;static char3msgA I RP=ALARM!Air pressure to low;static char3msgSPCOOL=ALARM!Spindle cool moteroverload;程序中,显示信息被定义为静态变量。如第1行程序定义了P MC报警信息“msgEMG”,在CNC显示器上显示为Emergency stop ison,用来提示操作人员现在报警按钮处于按下状态;第2行程序定义了P MC报警信息“msgSPSTP”在CNC显示器上显示为ALARM!Stop sp
19、indle first!,用来提示操作人员要先停止主轴运动;第3行程序定义了P MC报警信息“msgDOOR”在CNC显示器上显示为ALARM!Close door beforepush CS for safety!,在电控箱门锁上之前就按压自动循环按钮的情况下,给出系统报警提示。其余信息依次显示为刀号不对、Z轴尚未归零、Z轴伺服系统故障、气压不足、主轴冷却电机过载、排屑电机过载、交换台报警等。PLC软件开发完成之后,以准确的P MC程序逻辑为依据,编制P MC故障诊断表,如表1所示。加工中心运行和调试过程中,操作维护人员只需根据CNC屏幕提示信息,查阅数控系统生产厂家提供的数控系统故障诊断表
20、和P MC故障诊断表,即可完成数控系统或P MC的故障诊断,有针对性地排除故障,如双工作台交换动作调试中,由于机械部分的安装存在问题,CNC屏幕反复提示“Exchange motor overload”,借助于故障诊断表,我们迅速定位并排除了故障。通过报警变量、报警程序和报警提示信息的合理设计,实现了卧式加工中心故障的自诊断功能,在机床调试过程中,排除了过硬行程限位、转位动作在规定时间内未完成、自动换刀时刀库状态不正常、开机时主轴夹持刀具不正常等多处故障。表1PMC故障诊断表序号故障名提示文字诊 断1ToolNoToolNo Error无刀输入、相同刀号或刀号溢出2ATZZdid not ho
21、meZ轴未归零3ATXXdid not homeX轴未归零4ATYYdid not homeY轴未归零5SERVOZZservo driver has alarmZ轴伺服故障6SERVOXXservo driver has alarmX轴伺服故障7A IRPAir pressure too low气压不足8SPSpendle servo driver has alarm主轴伺服故障9TSTATI ONtowermagzine station error刀库位置不对10COOLOLcoolmotor overlode冷却电机过载11CHIPOLchip conveyermotor overlod
22、e排屑电机过载12SADOLSaddle sitmotor overlode鞍座电机过载5 结束语卧式加工中心的机械调整、电气硬件(下转50页)42机床电器200715数控 数显 加工中心数控系统内置PLC的软件结构与报警程序设计21213 高压直流和驱动电流测量电路如图7所示,两个测量电路的结构是一样的,只是参数不同。电路由两个运放和一个光耦构成。电路的前级是一个运放构成的电压电流转换电路,为光耦提供随输入电压变化的驱动电流;电路的后级是由一个运放和光耦的输出级构成的光电转换电路。整个电路实现了输入电压信号的隔离传输。3 系统控制策略系统首先采集三相电压和电流信号通过反电动势侦测电路得到转子
23、位置信息,并通过计算得到电机目前转速。电机启动程序、端电压检测及换相程序均由软件编程实现。系统软件设计流程如图8所示。图8 软件设计流程框图4 实验结果及结论反电动势侦测电路输出波形及P WM输出波形分别如图9和图10所示。图9 反电动势侦测电路输出波形实验样机采用额定电压24 V、额定功率100W的无刷直流电机。实验结果表明采用此控制方案电机启动平稳,运行状态良好。以凌阳75系列单片机为核心的图10PWM输出波形控制系统完全满足电机控制的要求且结构简单、价格低廉,完全可以替代TI等公司的专用工控DSP芯片。参考文献:1 谢宝昌,任永德.电机的DSP控制技术及其应用M.北京航空航天大学出版社.
24、2 王晓明,王 玲.电动机的DSP控制 TI公司DSP应用M.北京航空航天大学出版社.3 张 琛.直流无刷电动机原理及应用M.北京:机械工业出版社.收稿日期:2007-04-02(上接24页)及软件调试、机电整合有较高的技术要求和较大的难度,P MC软件采用模块式结构,可进行逐块调试,有利于机电系统的整合和联调,通过选择各功能模块的开放或关闭,该P MC软件还适用于其他数控机床,具有一定通用性。在刀库管理、机床工作方式转换、双工作台交换、工作台分度定位停止等子程序的调试中,自动监控和软件报警功能对故障的准确定位具有重要作用,便于迅速排除故障。高级语言在P MC程序开发中显示出了强大的优势,技术
25、人员可以通过逐一开放各子程序模块,逐项完善报警功能。参考文献:1 周保庆,等.FANUC系统PMC程序设计与调试技术J.制造技术与机床,2004,(10).2I NTEK Technology Co.,LTD.I NCON-M40F接机手册 Z.2000.3 刘战术,等.数控机床及其维护M.人民邮电出版社,2005.4 罗华丽,等.开放式数控系统中的软件PLC技术研究J.组合机床与自动化加工技术,2003,(2).收稿日期:2007-04-27作者简介:窦 凯(1963-),男,副教授,高级工程师。主要从事数控技术、机电一体化技术教学和研究工作。05机床电器200715计算机 PLC应用 基于凌阳75单片机的无位置传感器无刷直流电机控制方案