摘要：数控机床的控制中心由CNC和PLC共同组成，它们分工合作完成了机床上所有功能的控制。主轴运动控制是数控机床非常重要的一项控制任务。以FANUC0iMate-TD系统的数控机床为例，研究了手动和自动模式下模拟主轴起停及正反转的PLC控制，为相关工程技术人员提供了有效的控制思路和方法，也为机床维修技术人员提供了相关问题的维修指导。
关键词：FANUC；数控机床；主轴；PLC
数控机床的控制部分由CNC和PLC组成。实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制由CNC完成；机床辅助功能的顺序控制由PLC完成。数字控制和顺序控制二者缺一不可，它们之间可以通过规定的接口信号进行相互间的信息交互[1]，分工合作实现对数控机床各项功能的控制，完成加工任务。主轴运动的控制主要包括主轴起停控制、主轴正反转控制和主轴转速高低的控制等。对于数控车削中心，主轴一般还应具备C轴功能；对于镗铣加工中心，为了方便机械手换刀，还要求主轴具备准停功能。主轴控制一般由数控系统中的PLC来完成[2]。目前，FANUC系统的数控机床市场占有率较高。FANUC数控系统对主轴的控制信号有两种形式：串行主轴和模拟主轴。FANUC公司生产的主轴电机及其与之配套的驱动器采用串行主轴控制；非FANUC公司生产的主轴电机，可以由变频器驱动，采用模拟主轴控制[3]。模拟主轴比串行主轴更为经济，所以对模拟主轴的运动控制进行研究具有重要意义。本文以FANUC0iMate-TD系统的数控机床作为载体，通过编制PLC程序，实现手动和自动模式下模拟主轴的起停及正反转控制。
一、控制要求
在手动操作模式即JOG方式下，通过数控机床操作面板上的按钮“主轴点动”“主轴正转”“主轴停”“主轴反转”能够实现相应的主轴运动。在自动操作模式即“MEM”“MDI”“DNC”等方式下，通过运行加工程序中的M03（主轴正转）、M04（主轴反转）和M05（主轴停）指令实现对主轴的自动控制。
二、控制方式
（一）手动控制。数控机床上的操作面板通过I/OLink总线与PLC相连[4]。操作面板上的主轴控制按键为PLC的输入信号。PLC会对信号输入端进行实时扫描，输入信号经PLC逻辑处理后，向机床侧及系统输出相应的控制信号，驱动机床侧的执行元件动作，实现对主轴的控制功能；同时，PLC也会向操作面板输出控制信号，令相应按键的指示灯亮。（二）自动控制。主轴的M辅助功能控制是由加工程序发出的控制命令，例如，M03、M04、M05等，经PLC处理后输出去控制主轴电机工作。M指令的执行过程如下：CNC读到加工程序中的M指令时，就输出相应的M指令信息。FANUC0i-D系统M代码输出地址为F10～F13[5]。通过系统读取M代码的延时时间后，CNC输出M代码选通信号F7.0。PLC接收到M代码选通信号后，执行译码。译码结束后，运行顺序程序，执行相应的M代码功能。M功能执行结束后，PLC向CNC发送辅助功能结束信号G4.3。CNC收到G4.3信号后，经过辅助功能结束延长时间，切断系统的M代码选通信号F7.0。M代码选通信号断开后，切断辅助功能结束信号G4.3，然后系统切断M代码输出信息信号。至此，该条M指令执行完毕。
三、PLC程序设计
（一）M代码译码程序。加工程序中的辅助功能代码必须经过PLC译码后才能进行逻辑运算，从而实现相应的控制功能。M03、M04、M05的译码程序，如图1所示。功能指令DCNV将CNC传送过来的M代码转换成BCD代码的形式，再通过译码指令DEC令某中间继电器为1，每个中间继电器对应一个M代码。这里的R200.3、R200.4、R200.5分别对应的是M03、M04、M05。图1M代码PLC译码程序（二）主轴起停及正反转控制程序。手动和自动模式下主轴起停及正反转控制的PLC程序，如图2所示。系统处于JOG模式时，F3.2置1，按下操作面板上的主轴点动按键（X11.3）或主轴正转按键（X11.5），会使得主轴电机正转输出信号Y3.6以及主轴正转按键上的信号灯输出信号Y7.2置1，则电机正转且正转按键上的信号灯亮。按下主轴停止按键(X11.2)，会使得输出信号置0，则主轴电机停并且信号灯灭。同理，按下主轴反转按键（X11.6），会使主轴电机反转输出信号Y3.5以及主轴反转按键上的信号灯输出信号Y7.4置1，则电机反转且反转按键上的信号灯亮。自动控制模式下，通过图1所示译码程序输出的中间继电器结果来控制主轴电机执行相应的运动。M指令执行情况为：执行M03时中间继电器R200.3置1，从而使得Y3.6置1，电机正转；执行M04时中间继电器R200.4置1，从而使得Y3.5置1，电机反转；执行M05时，R200.5的常闭触点会将主轴电机正转或反转输出信号断开，从而实现停机。
四、结论
该PLC程序通过在FANUC0iMate-TD系统的数控机床上调试验证，完全能够实现相应的功能。本文为FANUC系统的数控机床模拟主轴基本运动的控制提供了有效的思路和方法，也为机床维修技术人员提供了相关问题的维修指导。在机床维修的过程中，监控PLC程序的执行情况以及信号地址的实时状态，对主轴及其它辅助功能的故障诊断和处理能够起到指导性作用。
参考文献：
[1]张洪涛．基于FANUC系统的数控车床PMC程序设计［J］．电气自动化，2015（6）．
[2]周兰．FANUC0i-D/0iMate-D数控系统连接调试与PMC编程[M]．北京：机械工业出版社，2012．
[3]黄文广．FANUC数控系统连接与调试[M]．北京：高等教育出版社，2011．
[4]张志军．FANUC数控机床操作面板PMC程序设计[J]．自动化与仪器学术论文仪表，2015（7）．
[5]刘江．FANUC数控系统PMC编程[M]．北京：高等教育出版社，2011．
作者：陈杰 单位：芜湖职业技术学院机械工程学院
