PLC在数控机床系统中的应用Word下载.docx

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3、系统框图的分析

4、电气执行元件的选用说明

5、机械传动设计计算

6、机械和电气其它部分（如传感器反馈、测量等）的说明。

指导教师：

***

批准日期：

PLC在数控机床控制系统中的应用

【摘要】PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的几处上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。

文章主要介绍了可编程控制器的工作原理，分类，结构，数控，工作过程，编程方法、对数控机床个方面的控制以及功能。

【关键词】PLC；

数控机床；

数控系统

前言

随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。

产品的加工精度要求越来越高，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。

数控机床是实现军民机械制造工业现代化至关重要的加工设备，并早已成为机床市场的主流产品。

而作为数控机床“大脑”的数控系统，既是决定数控机床性能和可靠性的关键因素，也是数控机床成本的主要组成部分。

数控系统主要由输人装置、监视器、主控制系统、PLC、各类输人／输出接口等组成。

随着PLC技术、功能不断完善，使车床的数控系统，具有成本低、系统简单、调整方便的优点。

PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的几处上发展起来的新型控制器它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格的形成一套一件电器为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。

PLC现已成为现代工业控制三大支柱之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速技术与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电-接触控制系统，随着科学技术的迅猛发展，在航天、航空、机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、交通、技术监督与测试等行业得到广泛应用,而且也正逐步引入人们的日常生活中去。

可以说，测试技术与自动控制水平的高低是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。

一、数控机床中的PLC的分类

内装型

PLC与数控系统共用同一个CPU,目前数控机床中的PLC基本均为内装型。

独立型

PLC具有单独的CPU，功能更强，运算速度更快。

二、PLC在数控机床中的作用

机床至PLC——对于FANUC、华中系统用X代表，西门子系统用I表示，此信号由用户定义。

（1）机床操作面板的控制。

（2）机床外部开关输入信号控制，如行程开关、限位开关等的信号。

PLC至机床——对于FANUC、华中系统用Y代表，西门子系统用Q表示，此信号由用户定义。

输出信号对外部的指示灯、继电器、电磁阀等外部元件进行控制，伺服系统的使能信号等。

CNC至PLC——对于FANUC、华中系统用F代表，西门子

系统用V表示，此信号由系统厂家定义。

输出有关M、S、T的控制信号，以及操作面板等控制方式信号的标志信号。

PLC至CNC——对于FANUC、华中系统用G代表，西门子

系统用V表示，此信号有系统厂家定义。

输入M、S、T的应答信号，控制面板信号，报警信号等。

三、PLC的工作原理

PLC的基本工作原理与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。

在软件的控制下，PLC才能正常的工作。

软件分为系统软件和应用软件两部分。

PLC的工作过程分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段

PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。

此时，输入映像寄存器被刷新。

接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。

（二）程序执行阶段

根据PLC梯形图程序“先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。

但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。

当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。

然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。

对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。

（三）输出刷新阶段

在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

四、PLC的基本结构

PLC的型号、规格繁多，下图仅示出了它的基本结构框图。

它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成。

在硬件和控制对象之间有三环：

第一个环：

是操作系统，用它来管理PLC的硬件资源；

第二个环：

是编译系统，这两个环构成了的PLC软件系统。

第三个环：

是实现用户要求的应用程序。

五、PLC的特点

优于输入/输出模块滤波器的时间常数，以及执行时要按工作周期顺序进行等原因，会使输入/输出响应出现滞后现象，对一般工业控制设备来说，这种滞后现象是允许的，但地某些设备的某些信号要做出快速响应。

通常的做法是：

将顺序程序分为快速响应的高优先级程序和一般响应速度的低优先级程序。

1：

可靠性高。

PLC的硬件采取了屏蔽措施；

电源采用了多级滤波环节；

CPU和I/O回路之间采用了光电隔离，提高了硬件可靠性。

在软件方面，可编程控制器采用了故障自诊断方法，一发现故障，就显示故障原因，并立即将信号状态存入存储器进行保护。

当外界条件恢复正常时，可继续工作。

2：

功能完善，性能价格比高由于PLC是介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置，所以PLC不仅有逻辑运算的基本功能和控制功能，还具有四则运算和数据处理（如比较、判别、传递和数据变换等）等功能。

PLC具有面向用户的指令和专用于存储用户程序的存储器，用户控制逻辑由软件实现，这样使PLC适用于控制对象动作复杂、控制逻辑需要灵活变更的场合。

有的PLC还具有旋转控制、数据表检索等功能，使数控机床复杂的刀库控制程序变得很简单。

PLC已系列化、模块化、可以根据需要，经济地进行组合，因而使性能价格比得到提高。

3：

容易实现机电一体化由于PLC结构紧凑，体积小，容易装入机床内部或电气柜内，实现机电一体化。

4：

编程简单?

?

大多数PLC都采用梯形图方法编程，形象直观，原理易于理解和掌握，编程方便。

PLC可以与专用程编机、程编器、甚至个人计算机等设备连接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断和传送等操作。

六、数控系统中的PLC

图2：

PLC基本结构图

现代数控系统中用PLC来实现开关量及其逻辑关系的控制。

数控装置中的PLC有两种类型：

内装型PLC和独立型PLC。

内装型PLC是指PLC包含在数控装置当中，PLC与数控功能模块间的信号传送在数控装置内部实现，PLC与机床间的信号传送则通过输入/输出接口电路实现（如图3所示）。

图3：

内装型PLC结构图

独立型PLC又称通用型PLC，其CPU、系统程序、用户程序、输入/输出电路、通讯等均设计成独立的模块。

独立型PLC与数控装置的关系如图4所示。

图4：

独立型PLC结构图

七、典型PLC的指令

1功能指令

数控机床用PLC的指令必须满足数控机床信息处理和动作控制的特殊要求。

例如，由NC输出的M、S、T二进制代码信号的译码（DEC），机械运动状态或液压系统动作状态的延时（TMR）确认，加工零件的计数（CTR），刀库、分度工作台沿最短路径旋转和现在位置至目标位置步数的计算（ROT），换刀时数据检索（DSCH）等。

对于上述指令的译码、定时、计数、最短径选择，以及比较、检索、转移、代码转换、四则运算、信息显示等控制功能，用移位操作的基本指令编程实现将会十分困难。

因此需要一些具有专门控制功能的指令解决那些较复杂控制。

这些专门指令就是功能指令。

功能指令都是一些子程序，应用功能指令就是调用了相应的子程序。

2控制条件

每条功能指令控制条件的数量和含义各不相同，控制条件以及指令、参数和输出（W）必须无一遗漏按固定的编码顺序编写。

指令：

指令有三种格式分别用于梯形图、纸带穿孔和程序显示，编程机输入时用简化指令。

参数：

与基本指令不同，功能指令可处理数据。

数据或存有数据的地址可作为参数写入功能指令。

参数数目和含义随指令不同而异。

用PLC编程器的PRM键可以输入参数。

输出（W）功能指令操作结果用逻辑“0”或“1”状态输出到W。

W地址由编程者任意指定。

有些功能指令不用W，如MOVE（逻辑乘后，数据移动）、COM（公共线控制）、JMP（转移）等。

顺序结束指令（END1，END2）顺序程序结束指令包括：

END1：

高级顺序结束指令。

分别表示高级和低级顺序结束指令。

3定时器指令（TMR，TMRB）

在数控机床梯形图编制中，定时器是不可缺少的指令。

它用在机械动作完成状态和稳定状态的延时确认（如卡盘夹紧/松开、自动夹具夹紧松开、转台锁释放、刀具夹紧/松开、主轴起动/停止等），机床液压、润滑、冷却、供气系统执行器件稳定工作状态的延时确认（如油缸、气缸、电磁阀、压力阀、气阀等动作完成确认），以及顺序程序中其它需要与时间建立逻辑顺序关系的场合。

定时器指令格式

译码器指令格式

八、PLC在数控机床中程序编制及功能

　　主轴运动控制PLC程序示例

PLC初始故障判断程序如附图所示

数控机床的组成如图5所示：

（一）操作面板的控制

PLC的输出端与操作面板连接。

操作面板又分机床操作面板和系统操作面板。

机床操作面板上有各类按钮，各按钮开关直接与PLC的输入端相连。

系统操作面板上控制信号由系统送到PLC控制数控系统的运行。

（二）机床外部开关输入信号

将机床侧的开关信号送入PLC，进行逻辑运算。

这些控制开关包括行程开关、接近开关、压力开关等。

（三）输出信号控制

PLC输出端与机床强电信号连接，PLC在数控机床中的主要作用是控制强电部分。

PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器、电磁阀、信号灯等输出给控制对象。

每个电气执行元件的运行控制逻辑都保存在计算机中，按照数控系统发出的指令运行。

（四）T功能的实现

在PLC上还实现了刀具的选择。

当遇到换刀指令时，系统送出T代码指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与所用刀号进行比较，如果不符，发出换刀指令，刀盘换刀，到位停止，系统发出完成信号。

（五）M功能的实现

M指令主要有M02（程序停止）、M03（主轴顺时针旋转）、M05（主轴停止）、M06（准备换刀）等等。

当在程序中遇到M指令时，系统送出M代码指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正/反转和启动/停止、卡盘的夹紧和松开、冷却液的开关等。

M功能完成时，系统发出完成信号。

（六）S功能的实现

S功能主要完成对主轴转速的控制。

常用的有代码法和直接指定法。

代码法是S后面跟二位数字，这些数字不直接表示主轴转速的大小，而是机床主轴转速代码；

直接指定法是S后面直接就是主轴转速的大小，例如S2000表示主轴转速是2000r/min。

九、参考文献

[1]夏燕兰.PLC在数控机床上的应用[J].南京工业职业技术学院学报，2002，

（2）．

[2]边晓红，郭兵.PLC在数控系统中的应用[J].山东冶金，2006，

（2）.

[3]李建兴，黄靖等编.电气控制技术[J].机械工业出版社，2006，（7）.

结束语

数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。

这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。

因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。

我充分认识到了知识的重要性，在论文中遵循了PLC控制系统的基本原则，将所学知识与实际相联系，使理论与实践充分结合。

本论文主要介绍了PLC的工作原理、结构、工作过程、分类、编程方法、对数控机床个方面的控制以及应用范围，从数控机床主轴报警、正反转、主轴变频控制等方面阐述了PLC对数控机床的重要作用。

充分体现出了PLC对现代工业的重要性。