数控机床PLC控制设计（正文）

1、第一章 绪 论数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，plc在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着plc技术的发展,它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。fbs系列plc的nc定位功能较其它plc更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用plc的nc定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中

2、是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。plc取代继电器控制电路，适合于执行逻辑运算和顺序控制等操作，控制各类机械或生产过程，广泛的应用于数控机床的工业控制中。数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分。数字控制是对各坐标轴位置的连续控制，这个任务由计算机数控装置实现；顺序控制是在数控机床运行过程中，根据cnc内部标志以及机床各操作开关实现运行的信号状态，按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴起动、正反转、停止、冲动、制动，刀库管理、工件的夹紧、松开，冷

3、却液系统的运行等功能的控制这类任务由plc实现。1.1 国内外数控技术发展状况世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降

4、到50，库存超过4个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年8月份的上海数控机床展览会和2001年4月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题： （1） 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； （2） 高技术水平、全功能产品主要靠进口； （3） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； （4） 应用技术水平较低，联网技术

5、没有完全推广使用； （5） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。 1.2 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（it、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 1.2.1高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩

6、短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（cirp）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。 1.2.2 5轴联动加工bsp采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展1.2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括

7、在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 1.2.4 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。1.2.

8、5工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。1.2.6 功能发展方向 1) 用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。2) 科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。3) 插补和补偿方式多样化4) 内装高性能plc 数控系统内装高性能plc控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮

9、助功能。编程工具中包含用于车床铣床的标准plc用户程序实例，用户可在标准plc用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。5) 多媒体技术应用 多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 1.2.7 体系结构的发展1) 集成化 采用高度集成化cpu、risc芯片和大规模可编程集成电路fpga、epld、cpld以及专用集成电路asic芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。通过提

10、高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。 2) 模块化 硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如cpu、存储器、位置伺服、plc、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。3) 网络化 机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。4) 通用型开放式闭环控制模式 采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、

11、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。1.3 本文设计的任务和目的1) 主轴为三相异步电动机，由交流接触器控制正/反转。主轴的控制包括正转、反转、停止、制动和冲动等。按停止按钮时电机停止，并控制制动器制动2s；按下冲动按钮，电机正传0.5s；然后停止。2) 液压卡盘和液压尾座都在jog方式下进行，液压卡盘的夹紧个松开时由一个脚踏开关控制。液压尾座的伸出和退回由按钮控制。3) 冷却耶的开/关由手动旋钮个 m功能指令共同控制。润滑泵的启动/停止在无急停报警的情况下每30min润滑一次，每次10s。4) 在执行换刀指令时，刀架电机旋转，当转到预定刀位时，刀架下降锁紧，执行换刀

12、动作。5) 当出现x、z轴限位，油泵过载、主轴过载或者伺服电机过热时，发出急停信号，通知cnc进行急停处理。第二章 数控系统及plc简述2.1 系统分析数控机床采用数控系统结合继电气、接触器等硬件电路实现功能控制，存在固有缺陷，如：继电气依靠触点动作会产生火花和抖动，影响系统稳定性和可靠性、使用寿命较短、响应速度较慢、功能灵活性较差、系统硬件规模较大等。数控的功能控制，一般采用汇编语言、高级语言、专业编程系统或面向对象等的编程技术编制，要么程序结构差，功能不易扩展；要么专业技术要求高，难被一般的用户掌握。 plc采用微电子技术，开关动作由无触点的半导体电路完成，可取代继电器控制电路，适合于执行

13、逻辑运算和顺序控制等操作，控制各类机械或生产过程。目前plc编程技术已被普通用户所掌握，但是，在数控机床复杂的功能控制中，国产plc的应用还只停留在辅助功能m、刀具功能t、主轴功能s和开关量的控制及一些单一化功能的应用上，对于数控前、后台控制的其他功能还没有完全开发出来，这也阻碍国产数控系统向数字化控制、功能模块化和开放式结构方向发展，国外数控厂商，如西门子公司推出的数控系统中，采用嵌入式plc，大大提高系统的集成度，整个数控系统除一个微机平台外，剩下的只有驱动的功率接口和反馈接口，实现了全数字化控制，既有效提高系统可靠性，又消除信息传递瓶颈，提高了系统性能。2.2 plc和nc的关系plc用

14、于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。plc用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。因此，在很多数控系统中将其称之为pmc（programmablemachinetoolcontroller）。数控系统有两大部分，一是nc、二是plc，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样来划分nc和plc的作用范围：1、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由nc来完成；2、机床辅助设备的控制是由plc来完成。它是在数控机床运行过程中，根据cnc内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液

15、等的运行进行控制。在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。nc和plc的接口方式遵循国际标准“isso4336-1981（e）机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：1、与驱动命令有关的连接电路；2、数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；3、电源及保护电路；4、通断信号及代码信号连接电路。从接口分类的标准来看，第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。第三类是由数控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、

16、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路，直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为plc或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。反之，plc或继电器逻辑控制来的控制信号，也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。2.3plc在数控机床中的应用形式plc在数控机床中应用，通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为独立式。内装式plc也

17、称集成式plc，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将nc和plc结合起来考虑，nc和plc之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个cpu也可以是单独的cpu这种结构从软硬件整体上考虑,plc和nc之间没有多余的导线连接,增加了系统的可靠性,而且nc和plc之间易实现许多高级功能。plc中的信息也能通过cnc的显示器显示,这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的plc。独立式plc也称外装式plc，它独立于nc装置，具有独立完成控制功能的plc。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专

18、业plc厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。2.4 plc与数控系统及数控机床间的信息交换相对于plc，机床和nc就是外部。plc与机床以及nc之间的信息交换，对于plc的功能发挥，是非常重要的。plc与外部的信息交换，通常有四个部分：（1） 机床侧至plc：机床侧的开关量信号通过i/o单元接口输入到plc中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由plc程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对plc程序和地址分配进行修改。（2） plc至机床：plc的控制信号通过plc的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输

19、出地址也是由plc程序编制者或者是使用者自行定义。（3） nc至plc：cnc至plc:cnc送至plc的信息可由cnc直接送入plc的寄存器中,所有cnc送至plc的信号含义和地址（开关量地址或寄存器地址）均由cnc厂家确定,plc编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的m、s、t功能,通过cnc译码后直接送入plc相应的寄存器中。（4）plc至cnc:plc送至cnc的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有plc送至cnc的信号地址与含义由cnc厂家确定,plc编程者只可使用,不可改变和增删。2.5 plc在数控机床中的工作流程plc在数控机床中的工作流程，和通常的plc工作流程基本上是一

20、致的，分为以下几个步骤：（1）输入采样：输入采样，就是plc以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。（2） 程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。（3） 出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的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，

21、通过特定方式输出，驱动外部负载。2.6plc在数控机床中的控制功能（1） 操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入nc，然后由nc送到plc，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入plc，控制机床的运行。（2） 机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入plc，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号（如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等）。（3） 输出信号控制：plc输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。（4） 功能实现。系统送出t指令给plc，经过译码，在数据表内检索，找到t代码指定的

22、刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统发出完成信号。（5） m功能实现。系统送出m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等等。m指令完成，系统发出完成信号。2.7 plc与数控机床外围电路的关系如前所述，plc在数控机床中用来控制机床的强电回路（通过一些电器元件）。为了更好了解数控机床的plc的控制功能，就有必要对plc和外围电路的关系进行分析。数控机床通过plc对机床的辅助设备进行控制，plc对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。plc接受nc的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从

23、plc的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用plc控制的）都是由plc的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用plc控制的）都在plc中和一个plc输出地址相对应。plc对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检

24、测信号有些是可以直接输入到plc的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到plc的输入端口。无论是输入还是输出，plc都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在plc和外围电路的关系中，最重要的一点就是外部信号和plc内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个plc中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的plc程序时，由plc程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使plc程序符合系统的要求。第三章 硬件分析3.1 数控机床与plc的连接方式数控机床所用plc可分为两种类型。一种是plc独立于

25、cnc装置，有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务，以满足数控机床或其他顺序控制领域要求的“通用型”plc；另一个是专为实现数控机床顺序控制面设计、制造的“内装型”plc，它从属于cnc装置，与cnc共用计算机内部即可实现。本文采用的是第一种类型，plc独立于cnc装置，plc与cnc信号在cnc装置内部传送，而plc与机床电气控制信号通过cnc的i/o接口传送。plc作为cnc的基本功能而统一设计和制造，因此结构十分紧凑；plc控制程序编程完成后，传送到cnc装置中，即可用于数控系统对机床功能信号的控制。数控机床系统结构框图如图1图3.1 数控机床软plc的系统框图其中计算机数控装

26、置（cnc）根据输入的零件加工程序进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元，驱动装置和plc等），所有这些工作是由cnc装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条有序地进行工作。其中plc的作用是接受cnc的m、s、t指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；同时接受操作面板和机床侧的i/o信号，送给cnc装置，经其处理后，输出指令控制cnc系统的工作状态和机床的动作。3.2 实现过程控制（电气控制）的常规方法实际控制系统一般由传感器、调节器、执行机构等组成，有开环及闭环控制系统之分。精密数控机

27、床依赖于电气与液压两部分控制，除了要求合理的机械结构外，还必须配备高性能的液压控制技术及相应的电气控制技术，以便对数控机床实现主轴转速控制、冷却液和润滑控制、液压卡盘和液压尾座控制、刀具互换控制。因此，目前大多采用电液比例技术来满足主机对数控系统的要求，常用电气控制系统包括： 传统继电器型 这是一种由传统的继电器控制箱再加上数码电压转换器组成的典型控制柜，还包括信号检测及输出控制电路。其中，由数码电压转换器来连接逻辑开关控制线路与模拟控制阀，将拨盘数字转换成模拟电压，并经比例放大器来控制比例阀。信号输入及数值显示单元只能是数码拨盘和电位计。但由于继电器控制存在着线路复杂、可靠性低、维修麻烦等缺

28、陷，现在已趋于淘汰。 可编程控制型 可编程控制器最初是从微机中简化出来的简单控制器，包括时间继电器、计数继电器、锁存继电器、记忆继电器和通断继电器等，由于它能够完全代替电气控制系统中的继电器部分，性能优良、价格低，指令系统简单易学，对操作、使用、管理要求不高等特点，与模拟电压输出装置（数码电压转换器、电位计等）结合，可用于控制冷却液和润滑系统。近年来，随着plc控制技术的发展以及各种智能外围模块的使用，plc可以对数控机床的控制过程进行精确、实时的控制。 微机控制型 六十年代后期，美国费洛斯公司（fellows）首次采用微型计算机对注塑机进行过程控制。进行微机控制的第一步，是将主轴的制动和冲动

29、时间、冷却液和润滑开启时间译为计算机的语言，输入到计算机内同预先设定值对比，进行决策控制。输入信号及数值显示单元种类较多，有数码拨盘、矩阵插孔板、阵列电位器、发光二级管矩阵、标准或专用键盘等输入方式，以及数码管、lcd、crt等信号显示方式。 z80cpu控制系统 以tp801单板机为典型代表，结构紧凑，板上安装有中央处理单元、键盘、显示器、ctc、pio、ram、rom，而且还可以扩展i/o、d/a、a/d等接口。 tp801采用汇编语言编程，由于有较强的数据处理功能，可进行8位数据的输入和输出，在软件的支持下，还可以进行8位以上数字运算、处理，完全能满足数控机床控制的要求。 单片机控制系统

30、 单片机是比单板机集成度高的微处理器，在一块芯片上集成了cpu、ram、rom、i/o、振荡器和时钟线路，几乎包含了一个数字系统所需的全部功能，具有处理能力强而灵活、兼容性好、单一正5伏电源、性能价格比高等特点，已用来构成各种实际需要的控制系统。但单片机控制存在着抗干扰性能差、标准性差、编程复杂等缺点，限制了其使用。 专用电脑控制系统 随着微机技术的发展及广泛运用，已有专用电脑用于注塑机控制，并由简单的开环控制过渡到局部闭环控制，再发展到今天的全闭环控制。系统除了常规的功能外，还有图形显示、故障报警、自诊断及数据处理、存储和打印功能。 多处理机系统 这种系统的设计思想是将多任务进行分配，即由若

31、干cpu来完成，例如，电机控制就由独立的cpu来完成，而别的cpu则作程控及过程参数控制工作，系统中只有一台主机和若干台从机。3.3 plc的选择由于数控机床的控制系统要求可靠性高，接线方便，便于维护而且输入输出信号多，因此plc系统选用西门子simatics7200系列cpu226、em221、em222。simaticcpc226作为系统运算、采集、控制部分本身集成开关量24入/16出。em221和em222作为数字量输入、输出扩展模块，负责控制信号的采集和输出，使系统控制规模得到扩展。西门子simatics7200系列plc具有如下特点：a小型机身，占用空间小；b可靠性高。plc以微处理

32、器为核心，结构紧凑，采用光电隔离措施，抗干扰能力强，输入输出独立于控制单元，具有极高的可靠性和稳定性；c操作简单。s7200软件step7micro/min32v3.2可在普通的pc机上进行安装，该软件提供了各种逻辑运算和算术运算指令，对于习惯使用电路图的工程技术人员用梯形图编程非常方便；d便于调试维护。可以在线编程调试面对于较复杂的故障，可以用pc机在线检测plc的运行状态，从而查出故障的原因。对于外部输入输出，在plc上都有相应的显示，只要观察plc上的对应led指示灯，即可知道输入输出的状态。3.4设计方案本文基于s7-200plc，采用step7-micro/win32编程软件，对数控

33、机床的功能控制进行设计和编程，最后把整套软件传送到西门子数控系统中进行调试，实现设计方案。本套设计包括了如下数控机床的常规功能：1) 数控机床控制主轴的启动、正/反转、主轴的制动和冲动等功能；2) 机床操作面板的控制功能；3) 液压卡盘的夹紧和松开、液压尾座的伸出和退回等控制功能；4) 冷却液和自动润滑的启动、停止的 控制功能；5) 换刀装置的控制功能；6) 遇到紧急情况如：x、z轴越限，油泵过载，主轴过载或者伺服电机过热等处理急停功能。此外，可以根据数控机床的控制要求，增加或裁减相应的功能，采用结构化编制各个功能的plc子程序，由plc主程序调用，实现系统的功能扩展。本套plc设计包含一个主

34、程序，五个功能子程序，以下是plc程序设计思路。3.5 电路的外部接线和i/o地址分配表图31是设计电路的输入/输出接线图：图3.2 外路接线图根据控制要求，在数控机床控制中，有25个输出控制元件，有17个输出元件，系统输入/输出元件的地址分配见表3.1.表3.1 数控机床输入/输出元件的地址分配输入继电器电路元件作用输出继电器电路元件作用i0.0sb1手动冷却q0.0km4主轴正转i0.1sq1连续左q0.1km5主轴反转i0.2sb2点动q0.2km6制动i0.3sq2连续右q0.3km9刀具松紧i0.4sb14主轴冲动q0.4sb4冷却液开启i0.5sb13主轴停止q0.5sq11润滑i

35、0.6sb11主轴正转q1.0ka1卡盘夹紧i0.7sb12主轴反转q1.1ka2卡盘松开i1.0sa11号刀位q1.5ka3刀架正转i1.12号刀位q1.6ka7刀架反转i1.23号刀位q2.0hl1急停报警指示i1.34号刀位q2.1hl2夹紧指示i1.4sq3x轴限位q2.2hl3顶尖指示i1.5sq4z轴限位q2.3hl4x轴限位指示i1.6sa2脚踏开关q2.4hl5z轴限位指示i1.7sq5油泵停止q2.5sb5外部急停i2.0sq6伺服准备q2.6sq12解除进给i2.1sq7伺服不过热i2.2sa3m功能选通信号i2.3s功能选通信号i2.4t功能选通信号i2.5sq8油泵急停

36、i2.6sq9m3、nc急停i2.7sq10nc复位第四章 功能控制的plc设计4.1数控机床plc主程序 图4.1是数控机床的plc控制主程序梯形图。在plc主程序中首先把cnc送到ib3口的mst代码（bcd码）与63（3fh）相连，屏蔽掉i3.6、i3.7，并在m选通、s选通、t选通信号的作用下，分别将m代码转存到mb1，s代码转存到mb2，t代码转存到mb3；然后，无条件（sm0.0）调到主轴控制程序、液压卡盘和液压尾座控制子程序、冷却和润滑控制子程序、换刀控制子程序、急停和进给保持控制子程序。图4.1数控机床主程序4.2 主要子程序(sbr)4.2.1 液压卡盘和液压尾座控制子程序(

37、sbr_0)图4.2是液压卡盘和液压尾座控制子程序梯形图，这两种动作的控制都是手动jog（i2.5）方式下进行的。液压卡盘的夹紧和松开是由一个脚踏开关sq7控制的，第一次踩踏时夹紧，第二次踩踏时松开，因此先将这个开关的闭合信号转换成脉冲信号m0.3，然后用m0.3脉冲去置位q1.0、复位q1.1，或者复位q1.0、置位q1.1。液压尾座的伸出和退回由按钮sb6（i0.1）、sb7（i0.2）、sb8（i0.30）控制。按下连续左按钮i0.1，尾座伸出，q1.0有效并自锁，同时解除q1.1，尾座连续伸出。按下点动左按钮i0.2，尾座伸出，q1.0有效，同时解除q1.1尾座伸出；放开i0.2后尾座

38、伸出q1.0解除，尾座停止。按下连续按钮i0.3，尾座退回，q1.1有效并自锁，同时解除q1.0，尾座连续退回。plc液压卡盘，尾座控制子程序如下：图4.2 液压卡盘和液压尾座控制子程序4.2.2 冷却和润滑控制子程序(sbr_1)图4.3是冷却和润滑控制子程序梯形图。冷却液的开/关由手动旋钮sa2（i0.0）和m功能指令m08、m09共同控制。自动方式（i2.5=0）时，在m选通信号的作用下，判断mb1的值，如果等于08，则置位m0.2，如果等于09，则复位m0.2；手动旋钮sa2闭合（i0.0=1）或者m0.2=1时，开启冷却q0.2。润滑泵的启动/停止由定时器t37（10s）、t38（3

39、0min）控制，在无急停报警的情况下，每30min润滑一次，每次10s。冷却和润滑控制子程序梯形图如图4.3所示。图4.3 冷却和润滑控制子程序4.2.3 换刀控制子程序(sbr_2) 图4.4是自动换刀控制子程序梯形图。在这个梯形图中，用字节传送指令将当前刀位开关信号（i1.0i1.3）转换成为当前刀号代码（14）存放到mb4中；当执行换刀指令时，在t选通信号的作用下，将指令刀号mb5与当前刀号mb4进行比较，如果不相等则置位q0.3、复位q0.4，刀架电机正转，刀架开始旋转；当转到预定的刀位时，当前刀号mb4与指令刀号mb3相等，复位q0.3，刀架停止正转，在q0.3闭合脉冲的作用下，置位

40、q0.4，刀架电机开始反转，刀架下降锁紧，定时器t40延时4s后，复位q0.4，换刀动作结束。换刀控制子程序如图4.4所示。图4.4 换刀控制子程序4.2.4 主轴控制子程序(sbr_3)4.2.4.1 应用背景与需求电动机是广泛使用的电器设备，根据生产工艺的要求，经常要对电动机进行启动和停止控制、正反转控制、多台电动机的顺序启动与停止控制、降压启动控制等。此外，为了确保生产的正常进行，防止发生事故，还需要采用一些自动信号连锁保护控制。在现代电气控制系统中，电动机的控制逻辑越来越复杂，对控制电路的可靠性要求越来越高，采用plc控制系统替换传统的继电器控制方式成为一个重点发展方向。本例以三相异步

41、电动机的控制为例，集中讨论plc实现电动机启动与停止、正反转、制动和冲动及互锁保护等控制功能的外部接线和编程方法。4.2.4.2 过程分析 主轴的控制包括正转、反转、停止、制动和冲动等。要求：按正转按钮时电动机正转；按反转按钮时电动机反转；按停止按钮时电动机停止，并控制制动器制动2s；按下冲动按钮电动机正转0.5s，然后停止；电动机过载报警后正/反转按钮冲动按钮无效。4.2.4.3 电气部分的设计 电气部分的设计如图4.5所示，主轴为三相异步电动机，由交流接触器控制正/反转；继电器采用直流24v供电，自带续流二极管；交流接触器采用交流110v供电。图4.5 主轴控制电气设计图中各器件的含义如表

42、4.1所示表4.1 各器件的含义序 号名 称含义序 号名 称含义 1qf3主轴带过载保护电源空开8ka9刀具松夹继电器 2km3主轴正转交流接触器9sb11主轴正转按钮 3km4主轴反转交流接触器10sb12主轴反转按钮 4ka1由急停控制的中间继电器11sb13主轴停止按钮 5ka4主轴正转中间继电器12sb14主轴冲动按钮 6ka5主轴反转中间继电器13rc2三相灭弧器7ka6主轴制动中间继电器14rc7、rc8单相灭弧器 在电气安全互锁设计方面，主轴正/反转在接触器和继电器分别进行了安全互锁；主轴正/反转对刀具松进行了安全互锁；急停对主轴运转进行了安全互锁。 与主轴控制相关的输入/输出寄

43、存器包括以下两种。输入寄存器：i0.4正转；i0.5反转；i0.6停止；i0.7冲动；i8.5报警。输出寄存器：q5.0正转；q5.1反转；q5.2制动，q5.3松刀。图4.6是电动机主轴控制程序梯形图图4.6 主轴控制程序4.2.5 急停、进给保持控制子程序（sbr_4）图4.7是急停处理和进给保持处理子程序梯形图。急停和进给保持是plc送给cnc的辅助控制反馈同步信号，用来反馈辅助控制信息，同步nc程序的执行。当出现x轴越限、z轴越限、油泵过载、主轴过载或者伺服电机过热时，发出急停控制信号q2.5，通知cnc进行急停处理。在换刀（q0.3=1或q0.4=1）期间，或者在自动工作方式而主轴还

44、没有启动的情况下，向cnc发进给保持信号（q2.6），使cnc锁定进给，保证机床安全。通过对上述应用实例分析，可以清楚地看出独立型plc与cnc装置之间、plc与机床侧的开关量之间的i/o连接关系；并通过plc程序设计，使cnc装置、plc和数控机床三者紧密结合在了一起，形成一个有机整体，从而控制数控机床有条不紊地工作。急停、进给保持控制子程序如下图所示。图4.7 急停、进给保持控制子程序4.3 控制面板设计图4.8是数控机床的人机面板，人们是通过它把信号输入机床中，从而控制机床进行加工操作。图4-8 控制面板4.4系统调试把编程的plc程序通过接口送到西门子机床的数控系统中，进行调试。首先，

45、对数控系统、伺服系统、伺服电机进行安装。安装控制柜的所有器件，以及所有的数据线、反馈线、电源线等，便开始进行系统调试工作，检验硬件接口是否正确，连接是否可靠；控制程序是否合理，能否实现所要求的功能；机床参数设置是否正确等。系统调试的主要步骤如下：a) 在系统送电前，检查各模块以及电元件接线、i/o连接是否正确。检查所有的电源是否有接地，然后才能送电；b) 电源接通后，接通机床总电源后，检查cnc电源指示灯，主轴电机和驱动模块的冷却风扇转向正确与否，以及润滑、液压系统灯是否正常；c) 在仔细检查系统硬件之后，进行数控软件下载，即ncu的初始化；d) 首先将plc清空，再将已编写好的程序连同标准p

46、lc程序通过mpi口下载至plc中；e) 对主轴正反转、冲动和制动；自动换刀；尾座和卡盘的松紧；润滑和冷却液的开启等系统进行调试；f) 机床试运行。但是由于学校条件有限，所以以上调试工作不能进行，只能在理论上可行。结 论本文开发的基于plc的数控机床的功能控制系统，配置在西门子的数控机床上，充分利用cnc系统丰富的软、硬件资源，实现了与cnc系统的有机结合。经验证，该系统可完成如下功能控制：主轴正/反转、主轴的冲动和停止的控制，卡盘和尾座的松紧控制，自动换刀，冷却液开关，定时润滑控制等。在数控机床的功能控制中，采用可编程控制器plc，具有编程方便、使用调度灵活、性能可靠、运行安全等优点。相比传

47、统的数控机床，简化了机床结构和控制系统，同时，系统的可重构性和可靠性大为提高。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 陈兴武，应用软件plc开发数控机床的功能控制j.厦门大学学报（自然科学版），2005，（5）.3 侯美华，可编程控制器在工业控制中的应用j.电气开关，2000，（6）.4 边晓红，郭兵.plc在数控系统中的应用j.山东冶金，2006，（2）.5 刘瑞已，可编程控制器（plc）在数控机床（cnc）中的应用j.组合机床与自动化加工技术，2002（12）.6 康存锋，杨建武，费仁元等.开放式plc型运动控制器的研究j.中国机械工

48、程,2004，（12）.7 张汉兵，叶伯生，杨道善.数控系统中嵌入式可编程控制器的设计j.机械科学与技术，2001,（12）.8 王广炎，赵建东，王小椿.机床数控系统中嵌入式可编程控制器的设计j.机械科学与技术，2001（1）.9 kosmol j, mrzyglod m, reiner j, et al. machine control systems-plc and cnc controllersa. automatic production. wroclawc. poland: wydawnictwo politech, 2000.299-328.10 schoop r, neubert

49、 r, suessmann b. flexible manufacturing control with plc, cnc and software agentsa. proceedings 5th international symposium on autonomous decentralized systemsc. dallas, tx. usa: ieee comput soc, 2001.365-371.11 祝红芳，熊军. plc及其在数控机床中的应用. 北京，人民邮电出版社，2007.致 谢本论文是在郭联金悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，

50、严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人，循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，我得到了许多的热情帮助。至此论文完成之际，谨向我尊敬的导师郭联金老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意，感谢您从本设计开始一路指导至论文的完成。感谢我的室友们，在相处的四年里，时你们和我共同维系着彼此之间的兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。现在大家各奔前程，大家珍重，祝各位工作顺顺利利。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！附 录1数控机床plc控

51、制主程序指令表网络1 将mst代码送mb5ld sm0.0wandb ib3,63,mb5网络2 m选通i2.2有效时,将m代码送mb1ld i2.2wandb ib3,63,mb1网络3 m选通i2.3有效时,将s代码送mb2ld i2.3wandb ib3,63,mb2网络4 m选通i2.4有效时,将t代码送mb3ld i2.4wandb ib3,63,mb3网络5 m3、nc急停i2.6、nc复位i2.7、油泵急停i2.5、复位s代码ld i2.2ldb= mb1,48ld i2.6o i2.7o i2.5movb 0,mb2网络6 无条件(sm0.0)调用液压卡盘、尾座控制子程序sbr

52、_0ld sm0.0cau sbr_0网络7 无条件(sm0.0)调用液压卡盘、尾座控制子程序sbr_1ld sm0.0cau sbr_1网络8 无条件(sm0.0)调用液压卡盘、尾座控制子程序sbr_2ld sm0.0cau sbr_2网络9 无条件(sm0.0)调用液压卡盘、尾座控制子程序sbr_3ld sm0.0cau sbr_3网络10 无条件(sm0.0)调用液压卡盘、尾座控制子程序sbr_4ld sm0.0cau sbr_42液压卡盘和液压尾座控制子程序指令表网络1 jog方式i2.5,主轴停止(q0.0=0andq0.1=0),踩脚踏开关i1.6输出脉冲m0.3ld i0.6a i2.5an q0.0qn q0.1eu= m0.3网络2 夹紧状态(q1.0=0)时,置位q1.1,复位q1.0,松开ld m0.3a q1.0r q1.0，1s q1.1，1网络3 卡盘夹