現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置普遍采用的控制方式是正邏輯控制，這種控制方式可能因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象。為解決現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位控制電路的缺陷，研制出一種新的限位控制方式，即負(fù)邏輯控制。其特點(diǎn)是限位行程開關(guān)的工作觸點(diǎn)采用常閉觸點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯，負(fù)邏輯的實(shí)現(xiàn)可以通過編寫機(jī)床的PLC程序和通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實(shí)現(xiàn)。這種方法提高了限位電路的可靠性。經(jīng)過實(shí)際使用達(dá)到了很好的效果，解決了現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床限位控制電路的缺陷。 1 前言 筆者在為德陽重型標(biāo)準(zhǔn)件廠改造數(shù)控機(jī)床的過程中，經(jīng)過大量調(diào)查，用戶反應(yīng)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置不可靠、不穩(wěn)定。針對這一現(xiàn)象，我們對現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置進(jìn)行了分析研究。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置普遍采用的控制方式是正邏輯控制，這種控制方式可能因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象。經(jīng)大量的論證和可行性研究，結(jié)合到西門子802S數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出采用一種無論線路接觸不良或開路與否，均可確保機(jī)床運(yùn)動不會超程的限位保護(hù)裝置及其方法，即負(fù)邏輯控制的限位保護(hù)裝置，這一技術(shù)應(yīng)用在所改造的設(shè)備中，經(jīng)過一年多的運(yùn)行，證明其效果良好。 2 技術(shù)方案 2.1 基本思路 這種數(shù)控機(jī)床的限位保護(hù)裝置，包括機(jī)床各運(yùn)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。 限位行程開關(guān)的一對工作觸點(diǎn)分別連接控制電源端子和PLC的輸入端口，限位行程開關(guān)的工作觸點(diǎn)采用常閉觸點(diǎn)，則PLC輸入端口為負(fù)邏輯設(shè)置。當(dāng)限位行程開關(guān)的工作觸點(diǎn)采用常閉觸點(diǎn)，PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯時(shí)，如果機(jī)床運(yùn)動在正常行程內(nèi)，行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)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；如果機(jī)床運(yùn)動超程壓下行程開關(guān)時(shí)，行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)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；如果出現(xiàn)電源端子到PLC輸入端的線路接觸不良或開路時(shí)，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(yùn)行，必須在電路接觸良好的情況下，機(jī)床才能正常運(yùn)行，這就確保了機(jī)床的安全。 PLC輸入端口為負(fù)邏輯設(shè)置時(shí)，控制電源端子和PLC的輸入端口的連接方式如圖1所示；PLC輸入端口為正邏輯設(shè)置時(shí)，控制電源端子和PLC的輸入端口的連接方式如圖2所示。 2.2 實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯的方法 實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的PLC輸入端口設(shè)置為負(fù)邏輯的方法有兩種，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(diǎn)的地方用常閉觸點(diǎn)替代，把需要使用常閉觸點(diǎn)的地方用常開觸點(diǎn)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(shí)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(yùn)算實(shí)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(yùn)算使對應(yīng)的PLC輸入端子的邏輯狀態(tài)為負(fù)邏輯。 所謂的異或邏輯方法也有兩種，一種方法是用軟件實(shí)現(xiàn)異或邏輯，即通過PLC的CPU進(jìn)行異或運(yùn)算；另一種方法是用硬件實(shí)現(xiàn)異或邏輯，即在PLC的輸入端前置一個(gè)含有異或邏輯的變換電路，用該電路進(jìn)行異或運(yùn)算。 2.2.1 在PLC編程時(shí)通過程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)邏輯設(shè)置 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(shí)現(xiàn)輸入端子負(fù)邏輯輸入時(shí)，可以通過機(jī)床的PLC程序?qū)崿F(xiàn)輸入端子的負(fù)邏輯功能。在按正邏輯輸入編寫的程序中用輸入端子的常閉觸點(diǎn)與常開觸點(diǎn)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(diǎn)換為常開觸點(diǎn)，常開觸點(diǎn)改為常閉觸點(diǎn)，其余觸點(diǎn)不變）的方法實(shí)現(xiàn)輸入端子的負(fù)邏輯輸入。 在PLC中，每一個(gè)輸入端子輸入端口的映像寄存器中有一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，PLC在執(zhí)行程序時(shí)直接從映像寄存器中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)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(diǎn)的狀態(tài)，其常閉觸點(diǎn)的狀態(tài)是常開觸點(diǎn)的反狀態(tài)。當(dāng)輸入端子與控制電源沒有構(gòu)成回路時(shí)其常開觸點(diǎn)為邏輯“0”、常閉觸點(diǎn)為邏輯“1”，當(dāng)輸入端子與控制電源構(gòu)成回路時(shí)其常開觸點(diǎn)為邏輯“1”、常閉觸點(diǎn)為邏輯“0”。 圖3 是在西門子8028數(shù)控系統(tǒng)中X軸限位部分的PLC梯形圖。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(bào)警解除開關(guān)的輸入端子，Q0.7限位報(bào)警輸出，V16000000.1是用戶報(bào)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。 圖3（a）是采用正邏輯輸入的PLC梯形圖。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)超程時(shí)，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(diǎn)的邏輯值從“0”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”，由于此時(shí)I1.7的常閉觸點(diǎn)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(bào)警、顯示報(bào)警信息。通過使11.7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、I1.1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，這樣即使機(jī)床超程，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(diǎn)，輸入端子與控制電源構(gòu)成回路，則其常開觸點(diǎn)邏輯值為“1”，常閉觸點(diǎn)邏輯值為“0”，限位報(bào)警無效，機(jī)床正常工作。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)超程時(shí)，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(diǎn)的邏輯值從“0”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”，由于此時(shí)I1.7的常閉觸點(diǎn)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(bào)警、顯示報(bào)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(bào)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第一次讀人輸入端子狀態(tài)限位開關(guān)的狀態(tài)已經(jīng)建立，所以可以保PLC程序行的結(jié)果不會出現(xiàn)錯(cuò)誤。 2.2.2 通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯設(shè)置 通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)輸入端口邏輯值“1”與“0”的變換，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(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)“1”與“0”的轉(zhuǎn)換，通過表1可知一個(gè)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。 通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯的原理，是實(shí)現(xiàn)把從PLC輸入端讀人的數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)間實(shí)現(xiàn)按位異或。例如：對一個(gè)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)系如表2所示。其中1、2、6號輸入端子采用負(fù)邏輯輸入，而其它端子采用正邏輯輸入。 2.2.3 實(shí)現(xiàn)異或邏輯的方法 （1）用硬件實(shí)現(xiàn)異或邏輯的方法 硬件實(shí)現(xiàn)異或邏輯的方法可以在PLC的輸入端前置一個(gè)含有異或邏輯的變換電路，例如可以采用只有8個(gè)輸入端子的異或邏輯的變換電路實(shí)現(xiàn)該方法（在實(shí)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）。它應(yīng)具備8位數(shù)據(jù)鎖存器74LS73、8位輸入緩沖器74LS244，具有或門、異或門邏輯電路，或門邏輯電路實(shí)現(xiàn)片選和讀寫邏輯，異或門邏輯電路實(shí)現(xiàn)設(shè)定數(shù)據(jù)與輸入端子邏輯值的異或運(yùn)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(shí)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(yùn)行速度。圖4是該方法的流程圖，在PLC通電并初始化時(shí)，CPU把設(shè)定的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)鎖存器（74LS273）后，該數(shù)據(jù)與輸入端口的狀態(tài)實(shí)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0FH則4個(gè)輸入端子就設(shè)定為正邏輯輸入，另4個(gè)輸入端子就設(shè)定為負(fù)邏輯輸入。 （2）用軟件實(shí)現(xiàn)異或邏輯 軟件實(shí)現(xiàn)異或邏輯的方法是通過PLC的CPU進(jìn)行異或運(yùn)算。由于每次讀人輸入端口數(shù)據(jù)都要進(jìn)行異或運(yùn)算，所以這種方法會增加CPU負(fù)擔(dān)。 圖5是該方法的流程圖。在數(shù)控系統(tǒng)PLC讀人輸入端口狀態(tài)后，把讀人數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)按位異或，就實(shí)現(xiàn)了負(fù)邏輯。 通過設(shè)定機(jī)床參數(shù)實(shí)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。 3 該技術(shù)適用范圍 在機(jī)床數(shù)控改造或數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對涉及機(jī)床安全的檢測信號輸入到數(shù)控系統(tǒng)時(shí)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(shí)現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因?yàn)樗麜?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?yàn)檎饎拥纫蛩卦斐烧`動作?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的控制邏輯由邏輯電子線路實(shí)現(xiàn)，不會出現(xiàn)以上問題。 4 結(jié)論 該方法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?。ㄖ挥袔缀涟?，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(jì)，同時(shí)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h，以每臺機(jī)床每天連續(xù)工作12h計(jì)，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。 通過實(shí)際的應(yīng)用驗(yàn)證，此方法效果良好，已進(jìn)行了大量的推廣。 第二屆伺服與運(yùn)動控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動控制論壇論文集