基于PLC的数控机床控制系统设计.docx
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基于PLC的数控机床控制系统设计
郑州华信学院毕业论文
题目：
基于PLC的数控机床控制系统设计
学生姓名：
所在院系：
所学专业：
机电一体化技术
指导老师：
所在班级：
摘要
可编程控制器PLC广泛应用于数控机床等工业控制中。
数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分。
本文描述了数控机床的基本组成、工作原理、分类及各自的特点。
并且对数控机床中的PLC作了详细的介绍，把PLC在数控机床上的控制做了设计。
然后以摇臂钻床Z3040为例，描述了它的设计过程，包括控制系统电路的分析，Z3040摇臂钻床原理图，用PLC编写程序对机床进行控制。
关键词：
可编程控制器数控机床数字控制顺序控制
ABSTRACT
Programmablecontroller（PLC）iswidelyusedinncmachinetoolsandotherindustrialcontrol.PartofCNCcontrolcanbedividedintodigitalcontrolandsequencecontroltwoparts.
ThispaperdescribesthebasicCNCcomposition,workingprinciple,classificationandtheirrespectivecharacteristics.AndthePLCforncmachinetoolshavealsobeenintroducedindetail,thePLCinthecontrolncmachinedesign.ThenZ3040withradialdrillingmachineasanexample,describesitsdesignprocess,includingcontrolsystemcircuitanalysis,Z3040radialdrillingmachineprinciplediagram,usingPLCprogrammingcontrolofmachine.
Keywords:
programmablecontroller；ncmachinetools；digitalcontrol；sequencecontrol
1绪论
随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。
产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。
尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。
这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。
数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。
该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。
具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。
1.1数控机床的发展
⑴高速度高精度化
数控系统的高速度高精度化要求数控系统在读入加工指令数据后，能高速度计算出伺服电动机的位移量，并能控制伺服电动机高速度准确地运动。
此外，要实现生产系统的高速度化，还必须要求主轴转速、进给率、刀具交换、托板交换等实现高速度化。
提高微处理器的位数和速度是提高CNC速度的最有效的手段。
⑵智能化
数控系统应用高级速的重要目标是智能化。
智能化技术主要体现在以下方面。
自适应
控制技术，自适应控制系统（AC,adaptivecontrol）可对机床主轴转矩、功率、切削力、
切削温度、刀具磨损等参数值进行自动测量，并由CPU进行比较运算后，发出修改主轴转速
和进给量大小的信号，确保AC系统处于最佳切削状态，从而在保证加工质量条件下，使加工成本最低或生产率最高。
附加人机会话自动变成功能，建立切削用量专家系统和示教系统，从而提高变成效率和降低对变成操作人员的技术水平的要求。
具有设备故障自诊断功能数控系统出了故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。
⑶计算机群控
计算机群控也叫做计算机直线数控系统（DNC）。
它是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行编程，并直接控制一群数控机床的系统。
机床的发展趋势
数控机床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。
工序集中20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。
在加工中心机床上，工件一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。
目前，加工中心机床的刀具库容量达到100多把刀具，自动换刀装置的换刀时间仅需0.5~2秒。
加工中心机床使工序集中在一台机床上完成，减少了由于工序分散，工件多次安装引起的定位误差，提高了加工精度，同时也减少了机床的台数与占地面积，压缩了半成品的库存量，减少了工序间的辅助时间，有效的提高了数控机床的生产效率和数控加工的经济效益。
高速、高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也更为突出。
数控机床制造厂把建立友好的人机界
面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面。
手工编程和自动编程已经使用了几十年，有了长足的发展，在手工编程方面，开发多种加工循环、参数编程和除直线、圆弧以外的各种插补功能，CAD/CAM的研究发展，从技术上来讲可以替代手工编程。
但是一套适用的CAD/CAM软件加上计算机硬件，投资较大，学习、掌握时间较长，对大多数的简单工件很不经济。
近年来，发展起来的图形交互式编程系统（又称面向车间编程），很受用户欢迎。
这种编程方式不使用G/M代码，而是借助图形菜单，输入整个图形块以及相应参数作为加工指令，形成加工程序，与传统加工时的思维方式类似。
图形交互编程方法在制定标准后，有可能成为各种型号的数控机床统一的编程方法。
数控机床普遍采用彩色CRT进行人机对话、图形显示和图形模拟的。
有的数控机床将采用说明书、编程指南、润滑指南等存入系统供使用者调阅。
1.2数控机床原理和特点
在对零件进行数控加工之前，首先要根据被加工零件的图样和工艺方案，用规定的代码
和程序格式编写加工程序，并用适当的方法将程序指令输入到机床的数控装置中。
数控系统
对输入的加工程序进行译码、运算之后，想机床输出各种信息和指令，控制其各部分按规定
有序地动作，包括机床主运动的变速、启停，进给运动的速度、方向和位移大小，以及其他
诸如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑液的启、停等。
伺服系统的作用就是将进给速度、位移量等信息转换成机床的进给运动，数控系统要求伺服系统能准确、快速地跟随控制信息，执行机械运动，同时，检测犯规系统将机械运动的实际位置、速度等信息反馈至数控系统中，并与指令数值进行比较后发出相应指令，修正所产生的偏差，提高数控机床的位置控制精度。
总之，数控机床的运行在数控系统的严密监控下，处在不断地计算、输入、输出、反馈等控制过程中，从而保证数控机床能严格按照输入程序的要求来执行动作。
从数控机床最终要完成的任务看，主要有以下三个方面的内容：
⑴主轴运动
和普通机床一样，主轴运动主要完成切削任务，其动力约占机床动力的70%~80%。
基本
控制功能是主轴的正、反转和停止，可自动换挡及无极调速，对加工中心和有些数控车床还要求主轴进行高精确度准停和分度功能。
⑵进给运动
进给运动是数控机床区别于普通机床最主要的地方，即用电气驱动代替了机械驱动，数控机床的进给运动是由进给伺服系统完成的。
进给伺服系统由进给伺服驱动装置、伺服电动机、进给传动链及位置检测反馈装置等组成。
一般说来，数控机床功能的强弱主要取决于计算机数控系统（CNC）装置。
而数控机床性能的优势，如运动速度与精度等，主要取决于进给伺服驱动系统。
为了保证进给运动的位置精度，人们采取了一些有效的措施。
如对机械传动链进行预紧和反向间隙调整，采用高精度的位置检测装置，采用高性能的伺服驱动装置和伺服电动机，来提高数控系统的运算速度
等。
⑶输入/输出（I/O）接口
数控系统对加工程序处理后输出的控制信号除了对进给运动轨迹进行精确的控制外，还
需要对机床主轴启/停、换向、刀具更换、工件夹紧/松开以及液压、冷却、润滑、分度工作
台转位等辅助运动进行控制。
例如，通过对加工程序中的M代码指令、机床操作面板上的控
制开关及分布在机床各部位的行程开关、接近开关、压力开关等输入原件的检测，由数控系
统内的可编程控制器PLC进行逻辑运算，输出控制信号驱动中间继电器、接触器、电磁阀及电磁制动器等输出原件，对冷却泵、润滑泵、液压系统和启动系统进行控制。
数控机床是一种高效能自动化加工设备。
与普通机床相比，数控机床具有以下特点:
⑴对零件加工的适应性强、灵活性好。
因此数控机床能实现若干个坐标联动,加工工程序可按对加工零件的要求而变换、而不需改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应新的工作要求。
⑵加工精度高、加工质量稳定。
在数控机床上加工零件，零件加工的精度和质量有机床,保证完全消除了操作者的认为误差。
所以数控机床的加工精度高，一致性好，加工质量稳定。
⑶加工生产效率高。
在数控机床上可以采用较大的切削用量,有效的节省了加工时间。
还有自动换刀、自动转速和其他辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短。
⑷能完成复杂型面的加工。
许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现而数控机床
则完全可以做到。
⑸减轻劳动强度，改善劳动条件。
数控机床的加工，除了装卸零件、操作键盘、观察机床运行外，其他机床动作都是按照程序要求自动连结地尽享切削加工，操作者不需要进行繁重的重复手工操作。
因此能减轻工人劳动强度，改善劳动条件。
⑹有利于生产管理。
采用数控设备，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。
1.3数控机床结构
数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成。
如图1—2所示。
⑴控制介质控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺
参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。
⑵数控装置数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。
⑶伺服系统伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。
数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。
每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。
⑷机床本体数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱普遍采用变频调速和伺服控制。
2PLC的概述
可编程控制器（以下简称PLC）从其生产到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步，其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。
今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅度提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行业发挥着越来越大的作用。
PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的点控制器。
它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。
普通计算机进行如初信息变换，多只考虑信息本身，信息的如初，只要人机界面就可以了。
而PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。
特别要考虑怎么适应于工业环境，入便于安装，抗干扰等问题。
2.1PLC的基本特点
高可靠性
⑴所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电
气上隔离。
⑵各输入端均采用R-C滤波器，其滤波器时间常数一般为10~20ms。
⑶各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
⑷采用性能优良的开关电源。
⑸对采用的器件进行严格的刷选。
⑹良好的自诊断功能，一旦电源或其他软件、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效
措施，以防止故障扩大。
⑺大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性进一步提高。
丰富的I/O接口模块:
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲
或电位、强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮、行程开关、
接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等直接连接。
另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。
采用模块化结构
为了适应各种工业控制需求，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式。
对使用者来说，不需要具备
计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
安装简单维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设
备与PLC的相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便
于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系
统迅速恢复运行。
本设计中PLC实现的功能，开关量的逻辑控制。
这是PLC最基本、最广泛的应用领域它取代传统的继电器电路，实现组合逻辑控制、顺序逻辑控制与定时控制、运动控制。
PLC使用专用的指令或运动控制模块，使运动控制与顺序控制功能有机结合在一起。
现场数据采集处理。
目前PLC都具有数据处理指令、数据传送指令、算术与逻辑运算指
令和循环位移与移位指令、所以由PLC构成的监控系统，可以方便地堆生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。
数据通常应用于数控机床的机械手的控制系统中。
位置控制。
位置控制是指PLC使用的位置控制模块来控制步进电动机和伺服电动机，从
而实现对各种机械构件的运动控制，如控制构件的速度、位移、运动方向等。
数控机床机械
手的位置控制就是PLC的位置控制的典型应用。
2.2PLC的工作原理
由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大
不同。
微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按
下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。
PLC则是采用循环扫描的工
作方式。
对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描
，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
扫描周期的长短主要取决于以下几个因素一是CPU执行指令的速度二是执行每条指令占用的时间三是程序中指令条数的多少。
一个扫描周期主要可分为3个阶段。
⑴输入刷新阶段
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。
在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
⑵程序执行阶段
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑
运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
⑶输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，输出映像寄存器，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环
往复，因此称为循环扫描工作方式。
由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。
实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要
进行各种错误检测，自诊断功能，并与编程工具通讯，这些操作统称为"监视服务"，一般在
程序执行之后进行。
扫描周期的长短主要取决于程序的长短。
扫描周期越长，响应速度越慢。
由于每个扫描周期只进行一次I/O刷新，即每一个扫描周期PLC只对输入、输出状态寄存器
更新一次，所以系统存在输入输出滞后现象，这在一定程度上降低了系统的响应速度。
但是
由于其对I/O的变化每个周期只输出刷新一次，并且只对有变化的进行刷新，这对一般的开
关量控制系统来说是完全允许的，不但不会造成影响，还会提高抗干扰能力。
这是因为输入
采样阶段仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期的大部分时间是与外设隔离的，而工
业现场的干扰常常是脉冲、短时间的，误动作将大大减小。
但是在快速响应系统中就会造成
响应滞后现象，这个一般PLC都会采取高速模块。
2.3数控机床采用PLC电气控制系统的优点
数控机床的电气控制理论上讲可以采用继电器接触器电气控制系统，单片机控制系统和
PLC控制系统来实现。
但是在实际工程中往往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，
考虑到上述几点，PLC较适合组合机床的电气控制。
PLC、单片机、继电器-接触器控制系统
相比具有以下优点：
2.3.1PLC与继电器-接触器相比较
继电器-接触器控制系统自上世纪二十年代问世以来，一直是机电控制的主流。
由于它
的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用广泛。
它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采
用微电脑技术的可编程顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。
PLC等取代
继电接触式控制逻辑。
具体如下
（1）控制逻辑
继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触电串联、并联、串并联，利
用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑，连线复杂、体积大、功耗也大。
当一个电气控
制系统研制完后，要想再做修改都要随着现场接线的改动而改动。
特别是想要能够增加一些
逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。
所以，继电接触式控制系统的灵活性和扩展性
较差。
可编程控制器采用存储逻辑。
它除了输入端和输出端要与现场连线以外，而控制逻辑是
以程序的方式存储在PLC的内存当中。
若控制逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连
线并不多。
若需要对控制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动
不多，并且也容易改动，因此，PLC的灵活性和扩展性强。
而且PLC是由中大规模集成电路
组装成的，因此，功耗小，体积小。
（2）控制速度
继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触电的动作来实现的，工作频率低。
触点的开
闭动作一般是几十毫秒数量级。
而且使用的继电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触
点抖动和触点拉弧问题。
而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的，速度相当快。
通常，一条
用户指令的执行时间在微秒数量级。
由于PLC内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不
会出现触点拉弧问题。
（3）定时控制和计数控制
继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控制。
用时间继电器实现定
时控制会出现定时的精度不高，定时时间易受环境的湿度和温度变化而影响。
有些特殊的时
间继电器结构复杂，维护不方便。
而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精
度相当高并且定时时间长，定时范围广。
用户可以根据需要在程序中设定定时值。
PLC根据
给定的定时值，由软件和硬件计数器来控制制定时间，定时精度高、定时时间不受环境的影
响，并且一旦调好，不会变化。
并且PLC可以完成计数功能，而继电接触系统通常没有计数
功能。
（4）设计与施工。
使用继电接触式控制系统完成一项控制工程，设计施工，调试必须顺序进行，周期长
而且修改困难而使用PLC来完成一项控制工程。
设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计
可以同时进行，周期短，而且调试和修改均很方便。
（5）可靠性和维护性。
继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。
触点在开闭时会受到电弧的损
坏，寿命短。
因而可靠性和维护性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，可靠性高。
PLC还配备了自检和监控功能，能自诊断出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。
总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便，而且体积小，功耗低。
2.3.2PLC与单片机比较
单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用于数据采集和工业控制。
但是，单片机不是专门针对工业现场的自动化控制而设计的所以它与PLC比较起来有以下
缺点：
（1）单片机不如PLC容易掌握
使用单片机来实现自动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编程。
这就要求设计人员
遇有一定的计算机硬件和软件知识。
对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相
当长一段时间系统地学习单片机的知识才能掌握。
而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图状态转移图等，对于使用者来说，无需
了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去熟悉PLC的简单指令系统及操作方法，就可以
使用和编程。
（2）单片机不如PLC使用简单
使用单片机来实现自动控制，一般要在输入输出接口上做大量的工作。
例如，要考虑工
程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接口的扩展，接口的工作方式等。
除了要进行控
制程序的设计，还要在单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接起来调试也较繁琐。
而PLC的输入/输出接口已经做好，输入接口可以与无外接电源的开关直接连接，非常
方便。
输出接口具有一定的驱动负载能力，能适应一般的控制要求。
而且，在输入接口、输
出接口，由光电耦合器件，使现场的干扰信号不容易进入PLC。
（3）单片机不如PLC可靠
使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。
通过上面的比较，针对数控机床的电气控制系统，虽然PLC的价格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时的精度，所以决定采用PLC控制系统来实现。
3Z3040摇臂钻床的基本概述
钻床是孔加工机床，用来进行钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及修刮端面等多种形式的加工。
在各类钻床中，摇臂钻床操作方便、灵活，适用范围广，具有典型性，特别适用于单件或批
量生产中带
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