專利名稱：數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，尤其是它的限位保護(hù)裝置及其方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床的各運動軸行程需要控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，超程即會發(fā)生設(shè)備或人身傷害事故。
現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置如圖1所示，限位行程開關(guān)的常開觸點SQ1分別連接+24V電源端子和PLC的輸入端，PLC的輸入端口為正邏輯設(shè)置，當(dāng)機(jī)床運動在允許的范圍內(nèi)，PLC的輸入端與+24V電源斷開，PLC內(nèi)的光電耦合器件無電，發(fā)光二極管不發(fā)光，信號邏輯值為“0”，PLC判斷為無效，PLC沒有事故處理信號輸出。當(dāng)機(jī)床運動超程時，壓下行程開關(guān)，其常開觸點SQ1閉合，+24V電源施加到PLC的輸入端，PLC內(nèi)的光電耦合器件得電，發(fā)光二極管發(fā)光，信號邏輯值為“1”，PLC判斷為有效，PLC即輸出事故處理信號。
其缺點是當(dāng)機(jī)床運動超程，壓下行程開關(guān)時，如果+24V電源端子到PLC輸入端的線路接觸不良或開路，+24V電源不能有效地施加到PLC輸入端口，信號邏輯值為“0”，判斷為無效，PLC不會輸出事故處理信號，將導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)重大事故。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，是提供一種無論線路接觸不良或開路與否，均可確保機(jī)床運動不會超程的限位保護(hù)裝置及其方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置，包括機(jī)床各運動軸的限位行程開關(guān)、具有可編程序控制器PLC的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、連接控制電源的端子，所述限位行程開關(guān)的一對工作觸點分別連接控制電源端子和PLC的輸入端口；所述限位行程開關(guān)的工作觸點采用常閉觸點；所述PLC輸入端口為負(fù)邏輯設(shè)置，當(dāng)PLC輸入端口接通控制電源，輸入信號的邏輯值為“1”時，PLC判斷為無效，無事故處理信號輸出；當(dāng)PLC輸入端口與控制電源斷開，輸入信號的邏輯值為“0”時，PLC判斷為有效，輸出事故處理信號。
所述機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK802S系統(tǒng)。
將上述數(shù)控機(jī)床的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯有兩種方法其一是，對于需要采用負(fù)邏輯的輸入端子，在程序中把需要使用該輸入端子的常開觸點的地方用常閉觸點替代，把需要使用常閉觸點的地方用常開觸點替代，使之構(gòu)成負(fù)邏輯關(guān)系。
其二是，通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實現(xiàn)，向PLC輸入一組數(shù)據(jù)，用于設(shè)定輸入端口的邏輯狀態(tài)，采用異或邏輯運算實現(xiàn)“1”與“0”的轉(zhuǎn)換；將該組數(shù)據(jù)中的某一位設(shè)定為“1”，通過異或邏輯運算使對應(yīng)的PLC輸入端子的邏輯狀態(tài)為負(fù)邏輯。
異或邏輯也有兩種實現(xiàn)方法(1).用軟件實現(xiàn)異或邏輯，通過PLC的CPU進(jìn)行異或運算。
(2).用硬件實現(xiàn)異或邏輯，在PLC的輸入端前置一個含有異或邏輯的變換電路，用該電路進(jìn)行異或運算。
如上所述，限位行程開關(guān)的工作觸點采用常閉觸點，PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯，當(dāng)機(jī)床運動在正常行程內(nèi)時，行程開關(guān)的常閉觸點保持閉合狀態(tài)，輸入信號的邏輯值為“1”，PLC判斷為無效，無信號輸出；當(dāng)機(jī)床運動超程壓下行程開關(guān)時，行程開關(guān)的常閉觸點斷開，輸入信號的邏輯值為“0”，PLC判斷為有效，輸出事故處理信號；當(dāng)出現(xiàn)電源端子到PLC輸入端的線路接觸不良或開路時，輸入信號的邏輯值也為“0”，PLC判斷為有效，輸出事故處理信號，機(jī)床不能運行，必須在電路接觸良好的情況下，機(jī)床才能正常運行，這就確保了機(jī)床的安全。


圖1是現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床限位保護(hù)裝置的電路圖。
圖2是本數(shù)控機(jī)床限位保護(hù)裝置的電路圖。
圖3-a是采用正邏輯輸入的限位部分PLC源程序。
圖3-b是采用負(fù)邏輯輸入的限位部分PLC源程序。
圖4是硬件異或邏輯的電路圖。
圖5是硬件異或邏輯處理流程圖。
圖6是軟件異或邏輯處理流程圖。
具體實施例方式
在機(jī)床數(shù)控改造或數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計中，對涉及機(jī)床安全的檢測信號輸入到數(shù)控系統(tǒng)時采用負(fù)邏輯輸入技術(shù)，有利于提高數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性。如果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器等元件實現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因為他會導(dǎo)致部分繼電器、接觸器處于始終通電狀態(tài)。這會造成損耗大、元件升溫、壽命縮短等問題，還會因為震動等因素造成誤動作?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線路實現(xiàn)，不會出現(xiàn)以上問題。
概念說明1.輸入端子的正邏輯輸入某輸入端子與控制電源(一般為+24V)構(gòu)成回路時該輸入端子輸入有效，邏輯值為“1”，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)邏輯關(guān)系做出響應(yīng)。該輸入端子與外接電源的回路斷開時，該輸入端子輸入無效，邏輯值為“0”，數(shù)控系統(tǒng)對該輸入端子無響應(yīng)。
2.輸入端子的負(fù)邏輯輸入某輸入端子與控制電源(一般為+24V)構(gòu)成回路時該輸入端子輸入無效，邏輯值為“0”，數(shù)控系統(tǒng)對該輸入端子無響應(yīng)。該輸入端子與外接電源的回路斷開時，該輸入端子輸入有效，邏輯值為“1”，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)邏輯關(guān)系做出響應(yīng)。
要實現(xiàn)負(fù)邏輯輸入需要軟件、硬件兩方面配合。
硬件連接，數(shù)控機(jī)床中PLC的輸入端子有以下兩種連接方式，其中圖1所示的連接方式是正邏輯輸入，其原理是當(dāng)機(jī)床運動超程時壓下行程開關(guān)SQ1，SQ1閉合PLC內(nèi)的光電耦合器件得電，PLC認(rèn)為該輸入端子的邏輯值為“1”，信號有效，PLC執(zhí)行相關(guān)操作。這種方法的缺點在于當(dāng)從+24V端子到PLC輸入端子之間的線路接觸不良或開路則會造成SQ1無效(即使SQ1被壓下閉合)，而導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)重大事故。
圖2所示的是負(fù)邏輯輸入的連接方式，信號輸入使用行程開關(guān)的常閉觸點。在正常情況下SQ1是閉合的，該輸入端子的邏輯值為“1”，當(dāng)SQ1被壓下斷開時輸入端子邏輯值為“0”。這時要求通過數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置或修改PLC程序把該點邏輯值“1”設(shè)定為無效狀態(tài)，而邏輯值“0”設(shè)定為有效狀態(tài)。如果從+24V端子到PLC的輸入端子之間的線路出現(xiàn)開路或接觸不良時，該點被認(rèn)為有效，機(jī)床會立即報警，必須在電路連接良好的情況下機(jī)床才能正常運行。這種方法排除了因限位電路開路而造成故障的可能性，機(jī)床的安全性得到提高。
負(fù)邏輯需要把邏輯“1”改為無效狀態(tài)而邏輯“0”為有效狀態(tài)，將PLC設(shè)置為負(fù)邏輯的方法有兩種一.在PLC編程時通過程序?qū)崿F(xiàn)在不改變數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)的情況下，或者所使用的數(shù)控系統(tǒng)不具備通過設(shè)定數(shù)據(jù)實現(xiàn)輸入端子負(fù)邏輯輸入時，可以通過機(jī)床的PLC程序?qū)崿F(xiàn)輸入端子的負(fù)邏輯輸入功能。在按正邏輯輸入編寫的程序中用輸入端子的常閉觸點與常開觸點交換(即在程序中把采用負(fù)邏輯輸入的輸入端子的常閉觸點換為常開觸點，常開觸點改為常閉觸點，其余觸點不變)的方法實現(xiàn)輸入端子的負(fù)邏輯輸入。
在PLC中，每一個輸入端子輸入端口的映像寄存器中的一個二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，PLC在執(zhí)行程序時直接從映像寄存器中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算。數(shù)據(jù)中某位的狀態(tài)就是對應(yīng)輸入端子常開觸點的狀態(tài)，其常閉觸點的狀態(tài)是常開觸點的反狀態(tài)。當(dāng)輸入端子與控制電源沒有構(gòu)成回路時其常開觸點為邏輯“0”、常閉觸點為邏輯“1”，當(dāng)輸入端子與控制電源構(gòu)成回路時其常開觸點為邏輯“1”、常閉觸點為邏輯“0”。
圖3是在西門子802S數(shù)控系統(tǒng)中X軸限位部分的PLC梯形圖(PLC程序的一種表示方法)，圖3-a、圖3-b分別是采用正邏輯輸入和負(fù)邏輯輸入的PLC梯形圖。PLC梯形圖中，I1.0、I1.1分別是機(jī)床X軸的負(fù)向、正向硬件限位的輸入端子，I1.7是超程報警解除開關(guān)的輸入端子，Q0.7限位報警輸出，V16000000.1是用戶報警文本顯示觸發(fā)位，V38011000.0和V38011000.1是PLC輸出到CNC的負(fù)向、正向限位信息位。由于I1.7只是用于解除限位后的鎖定狀態(tài)，所以采用正邏輯輸入。
在圖3-a是采用正邏輯輸入的PLC梯形圖。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)超程I1.0或I1.1所對應(yīng)的行程開關(guān)被壓下閉合，其常閉觸點的邏輯值從“0”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”，由于此時I1.7的常閉觸點的邏輯值為“1”，所以Q0.7、V38011000.0和V38011000.1有效，機(jī)床各軸停止并發(fā)出報警、顯示報警信息。通過使I1.7無效并結(jié)合其它操作使超程的軸回到正常位置。如果行程開關(guān)與I1.0、11.1及行程開關(guān)與電源間的連線開路或接觸不良都會使機(jī)床處于帶故障工作，且操作人員不能察覺。如果機(jī)床超程，即使行程開關(guān)被壓下限位也無效，機(jī)床會出現(xiàn)重大事故。
圖3-b是采用負(fù)邏輯輸入的PLC梯形圖。在正常狀態(tài)由于使用的是行程開關(guān)的常閉觸點，輸入端子與控制電源構(gòu)成回路，則其常開觸點邏輯值為“1”，常閉觸點邏輯值為“0”，限位報警無效，機(jī)床正常工作。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)超程I1.0或I1.1所對應(yīng)的行程開關(guān)被壓下斷開，其常閉觸點的邏輯值從“0”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”，由于此時I1.7的常閉觸點的邏輯值為“1”，所以Q0.7、V38011000.0和V38011000.1有效，機(jī)床各軸停止并發(fā)出報警、顯示報警信息。通過使I1.7無效并結(jié)合其它操作使超程的軸回到正常位置。在這種方案中，只要限位回路有開路或接觸不良，限位報警立即有效，只有在排除線路故障后機(jī)床才能工作，這樣就排除了因限位回路線路故障導(dǎo)致機(jī)床事故的可能性。
由于機(jī)床通電后PLC第一次讀入輸入端子狀態(tài)時限位開關(guān)的狀態(tài)已經(jīng)建立，所以可以保證PLC程序運行的結(jié)果不會出現(xiàn)錯誤。
二.通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實現(xiàn)通過設(shè)定參數(shù)可以實現(xiàn)輸入端口邏輯值“1”與“0”的變換，使使用正邏輯輸入方式編寫的PLC程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)邏輯的功能。在數(shù)控系統(tǒng)中，輸入一組數(shù)據(jù)，用于設(shè)定輸入端口是采用正邏輯還是負(fù)邏輯。設(shè)定該組數(shù)據(jù)中的某一位為“1”則對應(yīng)的輸入端子就被設(shè)定為負(fù)邏輯輸入，設(shè)定該組數(shù)據(jù)中的某一位為“0”則對應(yīng)的輸入端子就被設(shè)定為正邏輯輸入。在數(shù)字邏輯中采用異或運算可以實現(xiàn)“1”與“0”的轉(zhuǎn)換，通過下表可知一個二進(jìn)制的數(shù)據(jù)位與“1”異或后其狀態(tài)取反，而與“0”異或后保持原值。
表一異或邏輯關(guān)系

通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)的方法實現(xiàn)負(fù)邏輯的實現(xiàn)原理是實現(xiàn)把從把從PLC輸入端的讀入的數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)件實現(xiàn)按位異或。例如對一個8位的輸入端口，如果設(shè)定數(shù)據(jù)為46H(01000110B)，則對應(yīng)關(guān)系如下表表二設(shè)定數(shù)據(jù)與輸入端子的對應(yīng)關(guān)系

其中1、2、6號輸入端子采用負(fù)邏輯輸入，而其他端子采用正邏輯輸入。
實現(xiàn)異或邏輯的方法有硬件和軟件兩種方法。
1.用硬件實現(xiàn)異或邏輯的方法硬件實現(xiàn)負(fù)邏輯的方法是在PLC的輸入端前置一個含有異或邏輯的變換電路，圖4是變換電路的電路圖，只是該方法的一個例子，只有8個輸入端子，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要確定輸入端子數(shù)量，并且所使用的元器件也可以靈活選擇。圖4中U1是8位數(shù)據(jù)鎖存器74LS73，U2是8位輸入緩沖器74LS244，U3、U4是或門，實現(xiàn)片選和讀寫邏輯，U5是異或門，實現(xiàn)設(shè)定數(shù)據(jù)與輸入端子邏輯值的異或運算。把設(shè)定數(shù)據(jù)寫入輸入端口的控制單元中并鎖存，用本電路實現(xiàn)與輸入端口的按位異或，這種方法可以減輕PLC中CPU的負(fù)擔(dān)，提高運行速度。圖5是該方法的流程圖，在PLC通電并初始化時，CPU把設(shè)定的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)鎖存器U1(74LS273)后，該數(shù)據(jù)與輸入端口的狀態(tài)實現(xiàn)按位異或。如果設(shè)定的數(shù)據(jù)中某位為“1”則該位所對應(yīng)的輸入端子為負(fù)邏輯輸入。例如寫入鎖存器的數(shù)據(jù)為OFH則在圖4中上面4個輸入端子就設(shè)定為正邏輯輸入，下面4個輸入端子就設(shè)定為負(fù)邏輯輸入。
2.用軟件實現(xiàn)異或邏輯的方法軟件實現(xiàn)異或邏輯的方法是通過PLC的CPU進(jìn)行異或運算。由于每次讀入輸入端口數(shù)據(jù)都要進(jìn)行異或運算，所以這種方法會增加CPU負(fù)擔(dān)。圖6是該方法的流程圖。在數(shù)控系統(tǒng)PLC讀入輸入口狀態(tài)后，把讀入數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)按位異或，就實現(xiàn)了負(fù)邏輯。
通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實現(xiàn)輸入端子負(fù)邏輯的方法，要求數(shù)控系統(tǒng)具有可以對其PLC輸入、輸出端口的邏輯有效狀態(tài)進(jìn)行不同設(shè)定的功能。西門子的SINUMERIK 802S數(shù)控系統(tǒng)具有此功能。
對于輸入端口采用光電隔離的數(shù)控系統(tǒng)，采用負(fù)邏輯輸入的方法使輸入電路中的光電耦合器的發(fā)光二極管長期處于通電狀態(tài)。但是由于該發(fā)光二極管的工作電流很小(只有幾毫安，輸入電路只消耗幾十毫瓦)，因此系統(tǒng)的功耗的增加對功率幾千瓦的機(jī)床來說可以忽略不計，同時發(fā)光二極管是冷光源，也不會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱。光電耦合器的工作壽命大于10萬小時，以每臺機(jī)床每天連續(xù)工作12小時計，可以保證機(jī)床正常工作20多年，對機(jī)床的壽命也不會造成影響。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置，包括機(jī)床各運動軸的限位行程開關(guān)、具有可編程序控制器PLC的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、連接控制電源的端子，所述限位行程開關(guān)的一對工作觸點分別連接控制電源端子和PLC的輸入端口，其特征在于所述限位行程開關(guān)的工作觸點采用常閉觸點；所述PLC輸入端口為負(fù)邏輯設(shè)置，當(dāng)PLC輸入端口接通控制電源，輸入信號的邏輯值為“1”時，PLC判斷為無效，無事故處理信號輸出；當(dāng)PLC輸入端子與控制電源斷開，輸入信號的邏輯值為“0”時，PLC判斷為有效，輸出事故處理信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機(jī)床限位保護(hù)裝置，其特征在于所述機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用西門子SINUMERIK802S系統(tǒng)。
3.一種將權(quán)利要求1所述數(shù)控機(jī)床的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯的方法，其特征在于通過編寫機(jī)床的PLC程序?qū)崿F(xiàn)，PLC連接限位行程開關(guān)的輸入端子，在程序中把需要使用該輸入端子的常開觸點的地方用常閉觸點替代，把需要使用常閉觸點的地方用常開觸點替代。
4.一種將權(quán)利要求1所述數(shù)控機(jī)床的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯的方法，其特征在于通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實現(xiàn)，向PLC輸入一組數(shù)據(jù)，用于設(shè)定輸入端口的邏輯狀態(tài)，采用異或邏輯運算實現(xiàn)“1”與“0”的轉(zhuǎn)換；將該組數(shù)據(jù)中的某一位設(shè)定為“1”，通過異或邏輯運算使對應(yīng)的PLC輸入端口的邏輯狀態(tài)為負(fù)邏輯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述異或邏輯運算是用軟件實現(xiàn)，通過PLC的CPU進(jìn)行異或運算。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述異或邏輯運算是用硬件實現(xiàn)，在PLC的輸入端前置一個含有異或邏輯的變換電路，用該電路進(jìn)行異或運算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置，以解決現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床限位保護(hù)裝置的電源端子到PLC輸入端的線路接觸不良或開路時，PLC不輸出事故處理信號，導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)事故的問題。特點是限位行程開關(guān)的工作觸點采用常閉觸點，數(shù)控系統(tǒng)的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯；設(shè)置方法有兩種1.通過編寫機(jī)床的PLC程序?qū)崿F(xiàn)；2.通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實現(xiàn)，向PLC輸入一組數(shù)據(jù)，用于設(shè)定輸入端口的邏輯狀態(tài)，采用異或邏輯運算實現(xiàn)“1”與“0”的轉(zhuǎn)換；將該組數(shù)據(jù)中的某一位設(shè)定為“1”，通過異或邏輯運算使對應(yīng)的PLC輸入端子的邏輯狀態(tài)為負(fù)邏輯。
文檔編號G05B19/406GK1687854SQ200510020810
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者武友德, 胡明華, 余平 申請人:四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院