四川省德阳机械制造业设计研究中心 武友德 胡明华 现有数控机床的限位保护装置普遍采用的控制方式是正逻辑控制，这种控制方式可能因线路开路而产生限位失灵现象。为解决现有数控机床的限位控制电路的缺陷，研制出一种新的限位控制方式，即负逻辑控制。其特点是限位行程开关的工作触点采用常闭触点，数控系统的PLC输入端口设置为负逻辑，负逻辑的实现可以通过编写机床的PLC程序和通过设定机床参数实现。这种方法提高了限位电路的可靠性。经过实际使用达到了很好的效果，解决了现有数控机床限位控制电路的缺陷。
1 前言 笔者在为德阳重型标准件厂改造数控机床的过程中，经过大量调查，用户反应现有数控机床的限位保护装置不可靠、不稳定。针对这一现象，我们对现有数控机床的限位保护装置进行了分析研究。经过分析发现，现有数控机床的限位保护装置普遍采用的控制方式是正逻辑控制，这种控制方式可能因线路开路而产生限位失灵现象。经大量的论证和可行性研究，结合到西门子802S数控系统的特点，提出采用一种无论线路接触不良或开路与否，均可确保机床运动不会超程的限位保护装置及其方法，即负逻辑控制的限位保护装置，这一技术应用在所改造的设备中，经过一年多的运行，证明其效果良好。
2 技术方案2.1 基本思路 这种数控机床的限位保护装置，包括机床各运动轴的限位行程开关、具有可编程序控制器PLC的机床数控系统、连接控制
电源的端子。[IMG=图2 正逻辑输入]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111413393867632V.jpg[/IMG]图2 正逻辑输入 限位行程开关的一对工作触点分别连接控制电源端子和PLC的输入端口，限位行程开关的工作触点采用常闭触点，则PLC输入端口为负逻辑设置。当限位行程开关的工作触点采用常闭触点，PLC输入端口设置为负逻辑时，如果机床运动在正常行程内，行程开关的常闭触点保持闭合状态，输入信号的逻辑值为“1”，PLC判断为无效，无信号输出；如果机床运动超程压下行程开关时，行程开关的常闭触点断开，输入信号的逻辑值为“0”，PLC判断为有效，输出事故处理信号；如果出现电源端子到PLC输入端的线路接触不良或开路时，输入信号的逻辑值也为“0”，PLC判断为有效，输出事故处理信号，机床不能运行，必须在电路接触良好的情况下，机床才能正常运行，这就确保了机床的安全。 PLC输入端口为负逻辑设置时，控制电源端子和PLC的输入端口的连接方式如图1所示；PLC输入端口为正逻辑设置时，控制电源端子和PLC的输入端口的连接方式如图2所示。2.2 实现数控机床的PLC输入端口设置为负逻辑的方法 实现数控机床的PLC输入端口设置为负逻辑的方法有两种，其一是对于需要采用负逻辑的输入端子，在程序中把需要使用该输入端子的常开触点的地方用常闭触点替代，把需要使用常闭触点的地方用常开触点替代，使之构成负逻辑关系；其二是通过设定机床参数实现，向PLC输入一组数据，用于设定输入端口的逻辑状态，采用异或逻辑运算实现“1”与“0”的转换，将该组数据中的某一位设定为“1”，通过异或逻辑运算使对应的PLC输入端子的逻辑状态为负逻辑。 所谓的异或逻辑方法也有两种，一种方法是用软件实现异或逻辑，即通过PLC的CPU进行异或运算；另一种方法是用硬件实现异或逻辑，即在PLC的输入端前置一个含有异或逻辑的变换电路，用该电路进行异或运算。2.2.1 在PLC编程时通过程序实现负逻辑设置 在不改变数控系统设定数据的情况下，或者所使用的数控系统不具备通过设定数据实现输入端子负逻辑输入时，可以通过机床的PLC程序实现输入端子的负逻辑功能。在按正逻辑输入编写的程序中用输入端子的常闭触点与常开触点交换（即：在程序中把采用负逻辑输入的输入端子的常闭触点换为常开触点，常开触点改为常闭触点，其余触点不变）的方法实现输入端子的负逻辑输入。 在PLC中，每一个输入端子输入端口的映像寄存器中有一个二进制数据位，PLC在执行程序时直接从映像寄存器中读出数据进行逻辑运算。数据中某位的状态就是对应输入端子常开触点的状态，其常闭触点的状态是常开触点的反状态。当输入端子与控制电源没有构成回路时其常开触点为逻辑“0”、常闭触点为逻辑“1”，当输入端子与控制电源构成回路时其常开触点为逻辑“1”、常闭触点为逻辑“0”。 图3 是在西门子8028数控系统中X轴限位部分的PLC梯形图。图3（a）、图3（b）分别是采用正逻辑输入和负逻辑输入的PLC梯形图。PLC梯形图中，I1.0、I1.1分别是机床X轴的负向、正向硬件限位的输入端子，I1.7是超程报警解除开关的输入端子，Q0.7限位报警输出，V16000000.1是用户报警文本显示触发位，V38011000.0和V38011000.1是PLC输出到CNC的负向、正向限位信息位。由于I1.7只是用于解除限位后的锁定状态，所以采用正逻辑输入。 图3（a）是采用正逻辑输入的PLC梯形图。当机床出现超程时，I1.0或I1.1所对应的行程开关被压下闭合，其常闭触点的逻辑值从“0”转变为“1”，由于此时I1.7的常闭触点的逻辑值为“1”，所以Q0.7、V38011000.0和V38011000.1有效，机床各轴停止并发出报警、显示报警信息。通过使11.7无效并结合其它操作使超程的轴回到正常位置。如果行程开关与I1.0、I1.1及行程开关与电源间的连线开路或接触不良都会使机床处于带故障工作，且操作人员不能察觉，这样即使机床超程，行程开关被压下，限位也无效，机床会出现重大事故。[IMG=图3 X轴限位部分的PLC梯形图]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111413443132235X.jpg[/IMG]图3 X轴限位部分的PLC梯形图[IMG=表1 异或逻辑关系]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111413450270237F.jpg[/IMG]表1 异或逻辑关系[IMG=表2 设定数据与输入端子的对应关系]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111413452688688L.jpg[/IMG]表2 设定数据与输入端子的对应关系 图3（b）是采用负逻辑输入的PLC梯形图。在正常状态由于使用的是行程开关的常闭触点，输入端子与控制电源构成回路，则其常开触点逻辑值为“1”，常闭触点逻辑值为“0”，限位报警无效，机床正常工作。当机床出现超程时，I1.0或I1.1所对应的行程开关被压下断开，其常闭触点的逻辑值从“0”转变为“1”，由于此时I1.7的常闭触点的逻辑值为“1”，所以Q0.7、V38011000.0和V38011000.1有效，机床各轴停止并发出报警、显示报警信息。通过使I1.7无效并结合其它操作使超程的轴回到正常位置。在这种方案中，只要限位回路有开路或接触不良，限位报警立即有效，只有在排除线路故障后机床才能工作，这样就排除了因限位回路线路故障导致机床事故的可能性。 由于机床通电后PLC第一次读人输入端子状态限位开关的状态已经建立，所以可以保PLC程序行的结果不会出现错误。2.2.2 通过设定机床参数实现负逻辑设置 通过设定机床参数可以实现输入端口逻辑值“1”与“0”的变换，使用正逻辑输入方式编写的PLC程序实现负逻辑的功能。在数控系统中，输入一组数据，用于设定输入端口是采用正逻辑还是负逻辑。设定该组数据中的某一位为“1”则对应的[IMG=图4 硬件异或逻辑处理流程图]/uploadpic/THESIS/2007/11/2007111413454493017Z.jpg[/IMG]图4 硬件异或逻辑处理流程图[IMG=图5 软件异或逻辑处理流程图]/uploadpic/THESIS/2007/11/20071114134601274846.jpg[/IMG]图5 软件异或逻辑处理流程图 输入端子就被设定为负逻辑输入，设定该组数据中的某一位为“0”则对应的输入端子就被设定为正逻辑输入。在数字逻辑中采用异或运算可以实现“1”与“0”的转换，通过表1可知一个二进制的数据位与“1”异或后其状态取反，而与“0”异或后保持原值。 通过设定机床参数的方法实现负逻辑的原理，是实现把从PLC输入端读人的数据与设定数据间实现按位异或。例如：对一个8位的输入端口，如果设定数据为46H（01000110B），则对应关系如表2所示。其中1、2、6号输入端子采用负逻辑输入，而其它端子采用正逻辑输入。2.2.3 实现异或逻辑的方法（1）用硬件实现异或逻辑的方法 硬件实现异或逻辑的方法可以在PLC的输入端前置一个含有异或逻辑的变换电路，例如可以采用只有8个输入端子的异或逻辑的变换电路实现该方法（在实际应用中应根据需要确定输入端子数量，并且所使用的元器件也可以灵活选择）。它应具备8位数据锁存器74LS73、8位输入缓冲器74LS244，具有或门、异或门逻辑电路，或门逻辑电路实现片选和读写逻辑，异或门逻辑电路实现设定数据与输入端子逻辑值的异或运算。把设定数据写入输入端口的控制单元中并锁存，用本电路实现与输入端口的按位异或，这种方法可以减轻PLC中CPU的负担，提高运行速度。图4是该方法的流程图，在PLC通电并初始化时，CPU把设定的数据写入数据锁存器（74LS273）后，该数据与输入端口的状态实现按位异或。 如果设定的数据中某位为“1”，则该位所对应的输入端子为负逻辑输入。例如：写入锁存器的数据为0FH则4个输入端子就设定为正逻辑输入，另4个输入端子就设定为负逻辑输入。（2）用软件实现异或逻辑 软件实现异或逻辑的方法是通过PLC的CPU进行异或运算。由于每次读人输入端口数据都要进行异或运算，所以这种方法会增加CPU负担。 图5是该方法的流程图。在数控系统PLC读人输入端口状态后，把读人数据与设定数据按位异或，就实现了负逻辑。 通过设定机床参数实现输入端子负逻辑的方法，要求数控系统具有可以对其PLC输入、输出端口的逻辑有效状态进行不同设定的功能。
3 该技术适用范围 在机床数控改造或数控系统设计中，对涉及机床安全的检测信号输入到数控系统时采用负逻辑输入技术，有利于提高数控机床的可靠性和安全性。如果机床的电路采用传统的继电器、接触器等元件实现逻辑功能则不宜采用负逻辑，因为他会导致部分继电器、接触器处于始终通电状态。这会造成损耗大、元件升温、寿命缩短等问题，还会因为震动等因素造成误动作。现代数控系统的控制逻辑由逻辑电子线路实现，不会出现以上问题。
4 结论 该方法对于输入端口采用光电隔离的数控系统，采用负逻辑输入的方法使输入电路中的光电耦合器的发光二极管长期处于通电状态。但是由于该发光二极管的工作电流很小（只有几毫安，输入电路只消耗几十毫瓦），因此系统的功耗的增加对功率几千瓦的机床来说可以忽略不计，同时发光二极管是冷光源，也不会导致系统发热。光电耦合器的工作寿命大于10万h，以每台机床每天连续工作12h计，可以保证机床正常工作20多年，对机床的寿命也不会造成影响。 通过实际的应用验证，此方法效果良好，已进行了大量的推广。第二届伺服与运动控制论坛论文集第三届伺服与运动控制论坛论文集
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