plc在数控机床的应用 毕业论文设计.docx

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plc在数控机床的应用毕业论文设计

摘要

随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机场取代普通机床已是一种必然的趋势。

随着数控机床的发展，传统的继电器控制系统已经不能满足工业生产的需要，而可编程控制器（PLC）因其具有可靠性高，抗干扰能力强；功能强，性价比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；编程方法简单易学的显著特点，已成为人们的首要选择。

现代数控机床采用PLC代替继电器控制来完成逻辑控制，是数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。

当今世界，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各国加快经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

数控设备的控制与维修一直是企业组织生产的重要环节，而其中数控机床的PLC控制应用技术为关键技术之一。

本文先对数控机床、PLC进行了概述，接着介绍了PLC在数控机床中主轴的应用和故障检修方法，最后介绍了数控机床中PLC的系统设计。

关键词：

可编程控制器；PLC；数控机床；主轴；故障

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofinformationindustry,thefunctionofCNCmachinetoolsisbecomingmoreandmoreperfect,CNCmachinetoolstoreplaceordinarymachinetoolsisakindofinevitabletrend.WiththedevelopmentofCNCmachinetools,thetraditionalrelaycontrolsystemcannotmeettheneedofindustrialproduction,andprogrammablelogiccontroller（PLC）becauseofitshighreliability,stronganti-interferenceability;strongfunction,highratioofperformancetoprice;acompleterangeofhardware,Convenienceofuseforconsumer,strongadaptability;simpleandeasytolearntheprogrammingmethodandothersignificantcharacteristics,hasbecomethefirstchoiceofpeople.ModernCNCmachinetoolsbyusingPLCinsteadofrelaycontroltoperformlogiccontrol,makethestructureofCNCmachinetoolsmorecompact,morefeaturerich,greatlyimprovetheresponsespeedandreliability.Intoday’sworld,vigorouslydeveloptheadvancedmanufacturingtechnologyasthecoreofnumericalcontroltechnologyhasbecomeanimportantwayfortheworldtospeedupeconomicdevelopment,improvethecomprehensivenationalstrengthandthenationalstatus.ThecontrolandrepairofCNCequipmenthasalwaysbeenanimportantpartinproductionofenterpriseorganization,andthePLCcontroltechnologyofCNCmachinetoolsisoneofthekeytechnologies.

ThearticlefirstprovidesanoverviewofCNCmachinetoolsandPLC,thenintroducestheapplicationofPLCinthespindleofCNCmachinetoolsandfaultmaintenancemethods.

Keywords:

Programmablelogiccontroller;PLC;CNCmachinetools;Spindle;faults

1绪论

1.1数控机床概述

数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑的处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。

具体的讲，就是把数据化了的刀具轨迹的移动信息输入到数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，从而实现控制刀具与工件相对运动，实现控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动的将零件加工出来。

数控机床较好的解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

1.2数控机床的结构

数控机床是集机床、计算机、电动机及拖动、运动控制、检测等技术为一体的自动化设备。

数控机床的基本组成包括控制截止、数控装置、伺服系统、反馈装置及机床本体。

数控机床的组成如图1所示。

图1数控机床的组成

1.2.1控制介质

数控机床工作时，不要人去直接操作机床，但又要执行人的意图，这就必须在任何数控机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介称之为控制介质。

在普通机床上加工零件时，由工人按图样和工艺要求进行加工；在数控机床上加工零件时，控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置等信息的信息载体，它记载着零件的加工工序。

数控机床中，常采用的控制介质有穿孔纸带、穿孔卡片、磁带和磁盘或其他可能存储代码的载体。

至于采用哪一种，则取决于数控机床的类型。

早期时，使用的是8单位（8孔）穿孔纸带，并规定了标准信息代码ISO（国际标准化组织制定）和EIA（美国电子工业协会制定）两种代码。

1.2.2数控装置

数控装置是数控机床的核心。

其功能是接受输入装置输入的数控程序中的加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，发出相应的脉冲送给伺服系统，使伺服系统带动机床的各个运动部件按数控程序预定要求动作。

一般有输入输出装置、控制器、运算器、各种接口电路、CRT显示器等硬件以及相应的软件组成。

数控装置作为数控机床的“指挥系统”，能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。

它具备的主要功能如下：

（1）多轴联动控制。

（2）直线、圆弧、抛物线等多种函数的插补。

（3）输入、编辑和修改数控程序功能。

（4）数控加工信息转换功能：

ISO/EIA代码装换，米英制转换，坐标转换，绝对值/相对值转换，计数制转换等。

（5）刀具半径、长度补偿，传动间隙补偿，螺距误差补偿等补偿功能。

（6）实现固定循环、重复加工、镜像加工等多种加工方式选择。

（7）在CRT上显示字符、轨迹图形和动态演示等功能。

1.2.3伺服系统

机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的给进系统，它根据数控装置发来速度和位移指令控制执行部件的给进速度、方向和位移量。

每个进给运动的执行部件都配有一套伺服系统。

伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件得运动，它相当于手工操作人员的手，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。

伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。

驱动机床执行机构运动的驱动部件，包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电动机和进给电动机等。

一般来说，数控机床的伺服驱动系统有步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。

现在常用的是后两者，都带有感应同步器、编码器等位置检测元件，而交流伺服系统正在取代直流伺服系统。

1.2.4反馈装置

反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，该装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相对应的电路组成，其作用是检测数控机床坐标轴的实际移动速度和位移，并将信息反馈到数字控制或伺服驱动中，构成闭环控制系统。

检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式。

无测量反馈装置的系统称为开环系统。

由于先进的伺服系统都采用了数字式伺服驱动技术（简称数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接。

反馈信号在大多数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（简称模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。

伺服电动机内装式脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、测速机、光栅和磁尺都是CNC机床常用的检测器件。

1.2.5机床本体

数控机床主体包括床身、主轴、进给机构等机械部件，以及辅助运动装置、液压气动系统、冷却装置等部分。

数控机床中的机床，在开始阶段沿用普通机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面做些改变。

随着数控技术的发展，对机床结构的技术性能要求更高，在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已经发生很大的变化。

因为数控机床切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度外，还由于在加工中自动控制，能由人工进行补偿，所以其设计要求比普通机床更完善，制造要求比普通机床更精密。

数控机床的主机结构有下面几个特点：

（1）由于采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短。

（2）数控机床的机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能，适应连续地自动化加工。

（3）较多的采用高效传动件，如精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密齿条、蜗母条、磁浮导轨等。

为了保证数控机床功能的充分发挥，还有一些配套部件。

这些辅助装置的主要作用是根据数控装置输出主轴的转速、转向和起停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的起停指令，工件和机床部件的松开、夹紧、工作台转位指令，排屑、防护、照明、储运等辅助指令所提供的信号，以及机床上检测开关的状态信号等，经过必要的编译和逻辑运算，经放大后驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。

它通常由PLC和强电控制回路构成PLC结构上可以与CNC一体化（内装式PLC），也可以是相对独立（外装式PLC）。

有的还配有编程机和对刀仪等辅助设备。

1.3数控机床的工作原理

数控机床加工零件时，首先必须将被加工的零件图纸的几何数据和工艺数据等加工信息按规定的代码和格式编制成零件的数控加工程序，这是数控机床的工作指令。

然后将加工程序用适当的方法输入到数控装置，数控装置对输入的加工程序进行数据处理，输出各种信息和指令，控制机床主运动的变速、起停、进给的方向、速度和位移量，以及其他如刀具选择交换、工件的夹紧松开、冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件及其他辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作。

数控机床的运行处于不断的计算、输出、反馈等控制过程中，以保证刀具和工件之间相对位置的准确性，从而加工出符合要求的零件。

1.4数控机床的控制对象

从数控机床最终要完成的任务看，主要应对三方面进行控制。

（1）主运动控制

和普通机床一样，主运动是形成切削速度并从工件上切除多余材料起主要作用的工作运动，用来完成切削任务。

机床功率主要消耗于主运动，其动力约占整台机床动力的70%-80%。

数控车床的主运动是工件的回转运动，也就是主轴旋转运动，基本控制要实现主轴的正、反转和停止，可自动换档及无级调速；数控钻床、数控铣床和数控磨床的主运动是刀具或砂轮的回转运动；在数控刨削时，刀具或工作台的往复直线运动是主运动；对加工中心和一些数控车床还必须具有准停控制和C轴控制功能。

（2）进给运动控制

进给运动是传给刀具或工件的运动，主要配合主运动依次地或连续不断地切除工件上的多余材料，同时形成具有所需几何特性的已加工表面。

进给运动可以是间歇的，也可以是连续进行的。

数控机床的进给运动是通过进给伺服系统来实现的，这是数控机床区别于普通机床的重要方面之一。

伺服控制的最终目的就是实现对机床工作台或刀具的位置控制，伺服系统中所采取的一切措施，都是为了保证进给运动的位置精度。

（3）输入/输出（I/O）控制

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连续控制外，还要对机床的各种状态进行控制，这些状态包括主轴的变频控制，主轴的正、反转及停止，冷却和润滑装置的起动和停止，刀具自动交换，工件夹紧和放松及分度工作台转位等。

1.5数控机床的特点

数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。

它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点：

（1）适应性强

由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能完成复杂型面的加工，特别是对于可用数学方程式和坐标点表示的形状复杂的零件，加工非常方便。

当改变加工零件时，数控机床只需更换零件加工的CNC程序，不必用凸轮、靠模、样板或其他模具等专用工艺装备，且可采用成组技术的成套夹具。

因此，生产准备周期短，有利于机械产品的迅速更新换代。

所以，数控机床的适应性非常强。

（2）加工质量稳定

对于同一批零件，由于使用同一机床和刀具及同一加工程序，刀具的运动轨迹完全相同，并且数控机床是根据数控程序实现计算机控制自动进行加工，可以避免人为的误差，这就保证了零件加工的一致性，且质量稳定可靠。

（3）生产效率高

数控机床本身的精度高、刚性大，可以采用较大的切削用量，有效地节省了机动工时。

它还有自动换速、自动换刀和其他辅助操作自动化等功能，使辅助时间大为缩短，而且无需工序间的检验与测量，所以比普通机床的生产效率高3-4倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。

数控机床的主轴转速及进给范围都比普通机床大。

目前数控机床的最高进给速度可达到100m/min以上，最小分辨率达0.01um。

一般来说，数控机床的生产能力约为普通机床的3倍，甚至更高。

数控机床的时间利用率高达90%，而普通机床仅为30%-50%。

（4）加工精度高

数控机床有较高的加工精度，一般在0.005-0.1mm之间，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度为0.01mm。

数控机床的加工精度不受零件复杂程度的影响，机床传动链的反向齿轮间隙和丝杠的螺距误差等都可以通过数控装置自动进行补偿，其定位精度比较高。

同时还可以利用数控软件进行精度校正和补偿。

（5）工序集中，一机多用

数控机床，特别是带自动换刀刀架、库的数控加工中心，在一次装夹的情况下，几乎可以完成零件的全部加工工序，一台数控机床可以代替数台普通机床。

这样可以减少装夹误差，节约工序之间的中间环节，如半成品的中间检测、暂存、搬运和装夹等辅助时间，还可以节省机床、车间的占地面积，带来较高的经济效益。

加工中心的工艺方案更与普通机床的常规工艺方案不同。

常规工艺以“工序分散”为特点，而加工中心则以“工序集中”为原则，着眼于减少工件的装夹次数，提高重复定位精度。

（6）劳动强度低

在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至零件加工完毕。

这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。

数控机床是一种高技术的设备，尽管机床价格较高，而且要求具有较高技术水平的人员来操作和维修，但是数控机床的优点很多，它有利于自动化生产和生产管理，使用数控机床的经济效益还是很高的。

（7）利于现代化生产管理

采用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验、工装和半成品的管理工作，这些都有利于使生产向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。

（8）生产准备工作复杂

由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺分析、方案确定、程序编制等。

（9）投资大，维修难

数控机床是一种高度自动化机床，必须配有数控装置或电子计算机，机床加工精度因受切削用量大、连续加工发热多等影响，使其设计要求比普通机床更加严格，制造要求更精密，因此数控机床的制造成本比较高。

此外，数控机床属于典型的机电一体化产品，控制系统比较复杂、技术含量高，一些元器件、部件精密度较高，同时一些进口机床的技术开发受到条件的限制，所以对数控机床的调试和维修比较困难。

2可编程控制器（PLC）

2.1PLC概述

可编程控制器（简称PLC）是以微处理器为核心，将计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体的一种新型的高可靠性的工业自动化装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC作了如下的定义：

PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其相关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

PLC是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的新型工业设备。

它具有控制能力强、可靠性高、配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点，被广泛的应用在各种控制中，迅速地改变着工厂自动化的面貌和进程，成为当今及今后工业控制的主要手段和重要的自动化控制设备。

因此专家认为，可编程控制器技术、计算机辅助设计/计算机辅助制造以及机器人技术，将成为工业生产自动化的三大支柱。

2.2PLC的结构

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。

它具有比通用计算机更强的与工业现场相连的接口和更适应于控制要求的编程语言。

2.2.1PLC的硬件结构

PLC的硬件结构基本组成可归为四大部件：

微处理器（CPU）——控制器的核心

主存储器（RAM、ROM）

机输入/输出部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路

电源部件——为PLC内部电路提供能源

整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内

模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成

I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）

另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内

其硬件结构示意图如图2所示。

图2PLC硬件结构示意图

2.2.2PLC的软件结构

在可编程控制器中，PLC的软件结构分为两大部分：

（1）系统监控程序：

用于控制可编程控制器本身的运行。

主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用模块组成。

（2）用户程序：

它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。

2.3PLC的工作原理

PLC基本工作模式：

PLC有运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。

（1）运行模式：

分为内部处理（自诊断）、通信处理、输入处理（输入采样）、程序执行、输出处理（输出刷新）五个阶段。

（2）停止模式：

当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。

PLC工作原理流程图如图3所示。

STOP

RUN

图3PLC工作原理流程图

2.3.1PLC的工作方式

PLC是以微处理器为核心的，它具有微型计算机的许多特点，但其工作方式却与微型计算机有很大的不同。

微型计算机一般采用等待命令或中断的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序；无键按下，则继续扫描等待。

PLC采用周期循环扫描的工作方式，即“顺序扫描，不断循环”，这种工作方式是在系统软件控制下进行的。

当PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令序号进行周期性的程序循环扫描，如果无转跳指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户的程序，直到程序结束，然后重新返回第—条指令，开始下一轮的扫描，如此周而复始。

实际上，PLC扫描工作除了程序执行外，还要完成其他工作，整个工作过程分为内部处理（自诊断）、通信处理、程序执行三个大的阶段。

（1）内部处理（自诊断）。

PLC上电以后，每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。

自诊断内容包括I/O部分、存储器、CPU等，并且通过CPU设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，发现异常则停机显示出错。

若自诊断正常，继续向下扫描。

（2）通信处理。

PLC检查是否有编程器、计算机等的通信要求，若有则进行相应处理。

（3）程序执行。

具体包括：

输入处理（输入采样）、程序处理和输出处理（输出刷新）三个阶段。

2.3.2PLC的程序执行

可编程控制器的程序执行主要按三个阶段进行：

（1）输入处理（输入采样）。

PLC在输入采样阶段，首先以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中的“输入状态映像区”中。

随后关闭输入端口，进入程序执行阶段。

在程序执行阶段，即使输入端状态有变化，“输入状态映像区”中的内容也不会改变。

变化了的输入信号的状态只能在下—扫描周期的输入采样阶段被刷新读入。

（2）程序执行。

PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序扫描执行每条指令，从“输入状态映像区”中读取输入信号的状态，经过相应的运算处理后，将结果写入“输出状态映像区”。

（3）输出处理（输出刷新）。

同输入状态映像区—样，PLC内存中也有—块专门的区域，称为“输出状态映像区”。

当程序所有指令执行完毕，“输出状态映像区”中所有输出继电器的状态在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式输出，推动外部相应执行元件工作，这就是PLC的输出刷新阶段。

可以看出，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出去，而在程序执行阶段输入输出被封锁。

这种方式称作“集中采样、集中输出”。

2.3.3PLC的扫描周期

PLC采用周期循环扫描的工作方式，扫描过程包括：

内部处理、通信处理、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

由PLC的工作过程可知，一个完整的循环扫描周期T应为：

T=（读入一点时间×输入点数）十（运算速度×程序步数）十（输出一点时间×输出点数）十监视服务时间。

扫描周期的长短主要取决于三个因素：

一是CPU执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长短。

扫描周期越长，系统的响应速度越慢。

现在厂家生产的基本型PLC的一个扫描周期大约为10ms，这对于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，反而可以增强系统的抗干扰能力。

这是因为输入采样仅在输入刷新阶段进行，PLC在一个工作周期