数控机床IO控制讲义

1、数控机床的I/O控制数控机床的控制可以分成两部分：第一是刀具的轨迹控制也即位移控制；这就是所谓的插补与伺服系统，第二是顺序控制；主要接受S（主轴转速）、T（选刀、换刀）、M（辅助功能）代码等所表示的机械顺序动作信息，将其转换成与相应的辅助机械动作控制信号，控制各执行环节顺序动作。此外还要实现伺服驱动的使能控制和机床报警信号的处理等。这些功能的实现，现代数控机床均采用PLC（可编程逻辑控制器）简称PLC来完成。顺序控制的信息主要是I/O控制，其输入输出元件大多是开关量的元件，如输入采用控制开关、行程开关、压力开关和接近开关等元件，而输出多采用继电器、接触器和电磁阀等元件。数控机床PLC的配置形式

2、有两种：一种是内置式，象FANUC公司的数控系统采用在主板上插上一块PMC板的形式。这种方式的PLC不能成为独立的PLC使用，优点是结构紧凑、较容易实现与CNC的 协调。第二种是外置式，如西门子3系统采用的外部独立的PLC。在数控机床的故障中，PLC的故障占了较大的比例。作为一名维修人员来说要做好PLC的维修工作至少要对以下几方面有所了解。 一 PLC的信息传递数控机床中PLC信息传递主要有两个方面，PLC与CNC侧的信息传递；以及PLC与机床侧(MT)的信号传递，我们称之为PLC与外部的信息传递。如图一：高速处理信号 ：ESP、SKIP、超程等MT DI/DOX10001011G000002

3、55 PMC ST1 DOOR ST X0.1 X0.0 G000.7 ST2 X5.7 STL STL F0.5 Y0.1 CNCXGFYY10001008F00000255图（一）内装式PLC输入/输出信息1PLC与CNC的信息交换。这组输入/输出信号仅在寄存器中传送，其信号含义和地址均由CNC厂家指定，我们只可使用，不可改变和增删。1.1CNC传送至PLC的信息，在一般数控机床中，CNC传递给PLC的信息主要有M、S、T等功能代码等。这些信息经过PLC的处理作为PLC的输出信号向机床侧输出如：刀架旋转、主轴停止等信号。M00M31 辅助功能代码，信号地址是F010F013。这些从计算机向

4、PLC发出的信号是二进制的代码如: 7 6 5 4 3 2 1 0 M07 M06 M05 M04 M03 M02 M01 M00F010MF 辅助功能选通，信号地址是F007#0。MA 准备结束信号，信号地址是F001#7。T00T31 刀具功能代码信号 信号地址是 F026F029TF 刀具功能选通信号 信号地址是 F007#3数控机床的辅助功能代码近百个。数控系统的不同，辅助功能代码的含义也会不同，差别很大。一般只有M0M5及M30的含义是一致的。随着数控技术的发展，两位数的辅助功能代码已不够用，所以现代数控已有不少使用三位数的M代码。在FANUC 0i 系统中，把M200M215和M3

5、00M315定义为第2M功能代码和第3M功能代码。1.2 PLC至CNC的信息，这包括PLC给CNC的关于机床的运动状态、主轴的连锁等信息。MFIN 辅助功能结束信号 地址是 G005#0TFIN 刀具功能结束信号 地址是G005#32、PLC与MT之间的信息传递。这组输入/输出信息是由机床厂家指定与地址对应的信号。需要注意的是，该组信号是通过I/O模块进行交换的。机床厂家不同，设备不同，控制对象的不同都会使地址对应的信号不同。因此设备厂家会随机床资料提供输入输出信号表或在电器原理图中标注出I/O口地址的全部信号。这个表或图是我们诊断PLC故障中必不可少的条件。需要妥善保管。如某数控加工中心的

6、输入输出的部分地址信号图： 压力 刀库正转 刀库反转刀夹放松 刀夹夹紧 夹紧到位 P24V X022.7 X016.0 X016.1 X016.2 X020.0 X020.1 PLC DI/DO PLC D I/DOY044.0 Y044.1 Y044.2 Y044.3 Y046.0 Y046.1 KA4 KA5 KA6 KA7 HL1 HL20V反转 正转 NC给定 手动电压 报警 速度变化 指示 一般内装式PLC采用直流+24V电源,容量有一定限制,所以一般对于象交流接触器,电磁阀,电磁离合器等交流负载和工作电压或工作电流超过PLC输出信号最大允许容量时采用直流小型继电器作为中间继电器过渡

7、的方法。每个输出点的容量约几百毫安，如果采用外接DI/DO模快则使用外接电源，可以根据外接负载的大小，选择不同容量的电源模块。2.1、 PLC向机床传递信息。主要是控制机床的执行元件（如继电器、电磁阀），满足自动换刀装置、刀架与工作台夹紧、松开机构的驱动控制要求、启动冷却、液压和润滑装置，确保各种状态及故障的显示。2.2 机床向PLC传递信息，MT传送给PLC的信息主要有机床操作面板上的操作元件信息，如各座标轴的定向起动、刀架回转方向的选择、数控系统的起动、进给停止等按钮开关信息，各座标轴的运动限位、刀库夹紧、放松、到位等限位开关信息。此外，还有一条高速处理信号。它是作为顺序程序中第一级程序处

8、理的。仅处理短脉冲信号。这些信号包括急停，各轴超程，返回参考点减速，外部减速，跳步，到达测量位置和进给暂停信号。3 、PLC的地址地址是用来区分信号。不同的地址分别对应机床侧和CNC侧的输入、输出信号、内部继电器、计数器、保持型继电器和数据表。每个地址由地址号和位号组成。在PMC中地址主要有四个类型：内部继电器机床侧信号CNC侧信号PMC非易失性存储器（1） 计数器（2） 保持型继电器（3） 数据表（4） 可变定时器2、非易失性存储器的含义是：即使系统断电，存储器中的内容也不会丢失。 图（二）字母信号类型FANUC 0i PMCSA3X来自机床侧输入信号X0X127外装I/O卡X1000X10

9、19内装I/O卡Y由PMC输出到机床侧的信号Y0Y127外装I/O卡Y1000Y1014内装I/O卡F来自CNC侧的输入信号F0F255G由PMC输出到CNC的信号G0G255R内部继电器R0R1499R9000R9117A信息显示请求信号A0A24C计数器C0C79 （计数器个数20）K保持型继电器K0K19T可变定时器T0T79 （定时器个数40）D数据表D0D18591、机床侧输入的信号固定地址如：*ESP: X1008.4; SKIP:X1004.7 *DEC1: X1009.0等NC运行时直接引用这些地址的信号。2、非易失性存储器的含义是：即使系统断电，存储器中的内容也不会丢失。4、

10、R9000到R90099为PMC系统程序保留区域，这个区域中的继电器不能用作顺序程序中的输出继电器。5、K17K19为PMC系统程序保留区域，不能用于顺序程序中的输出继电器。4、I/O硬件接口概况（FANUC 0iA系统） CNC I/OI/Olink DI/DO 二PLC 顺序程序1、顺序程序的概念所谓顺序程序是指对机床及相关设备进行逻辑控制的程序。顺序程序的编制是由编制梯形图开始的，而梯形图可以理解为CPU中算术运算的执行顺序。PLC编程软件的作用就是编制顺序程序。2、PLC顺序程序的执行过程PLC顺序控制是由软件实现的，它和一般的继电器电路的工作原理不尽相同。在一般继电器控制电路中，各继

11、电器在时间上完全可以同时动作，而PLC的工作过程是基于顺序扫描的工作方式；CPU每一时刻只能执行一个操作而不能同时执行多个操作，CPU按程序规定的顺序依次执行各个操作。在一般继电器电路中，当继电器A B DA C E 图（三）A动作时，继电器D和E可同时动作（当然触点B和C都闭合时）。在PLC顺序控制中，当继电器A动作时，（D、E不是同时动作的）继电器D首先动作，然后继电器E才动作（尽管先后动作的时间相差微秒级，但这个概念不能错。PMC-SA3基本指令处理时间0.15ms/步）。顺序程序从梯形图的开头执行直到梯形图结束而且在程序执行完后，再次从梯形图的开头执行，这被称作循环执行。从梯形图的开头

12、到结束的执行时间称为循环处理周期。3、PLC程序执行的优先循序PLC循序程序由两部分组成：第一级程序部分和第二级程序部分。 顺序程序 第一级程序（高速顺序） SUB1 指定第一级程序结束 分割1 第二级程序（通常顺序） 分割2 SUB2 分割n 指定第二级程序结束 图（四）第一级程序的执行周期是8ms，第二级程序执行时间是8×n ms，（n为第二级程序的分割数）这样第二级程序的执行周期是8×n ms 。在FANUC的PMC中，8 ms当中的1.25ms 用于第一和第二级程序的执行，剩余的时间由NC使用。8ms 周期时间第一级（1） （1） （1） （1） 第二级（2）1 （

13、2）2 （2）n （2）1 图（五） 三 PMC的指令1、 基本指令基本指令是设计顺序程序时最常用的指令，它们执行一位运算。1.1 基本指令的格式 RD ·指令 地址号 位号 序号 指令 序号 指令 1 RD 8 OR NOT 2 RD NOT 9 RD STK 3 WRT 10 RD NOT STK 4 WRT NOT 11AND STK 5 AND 12OR STK 6 AND NOT 13SET 7 OR 14RST2、功能指令：在基本指令难于编制某些机床动作时，采用功能指令来简化编程。在FANUC0i 系统PMC SA3中，功能指令有66种，PMC SA1中有49种.2.1

14、功指令的格式： 控制条件 参数 A B 1.0 1.1 C D 指 W1 R2.4 R3.1 RST R10.1 令（1） （2）（3）（4） R5.1 ACTR7.1 7 6 5 4 3 2 1 0 R9000 R9001 R9002 R9003 R9004 R9005 功能指令操作结果寄存器 a 、控制条件：控制条件的数目和意义根据功能指令而变化。 b、控制条件中的RST的功能指令有最高优先权。 c 、参数：与基本指令不同，功能指令可处理数字值。包含在数据中的参考数据和地址可通过参数来输入，数目和意义随功能指令变化。 d、W1：当功能指令的操作结果为1位二进制时（1或0），将其输出至W1，

15、其地址由编程者自由决定。其意义根据功能指令的不同而有所变动。（有些功能指令没有W1） e、要处理的数据：功能指令处理的数据为二十进制（BCD）数或二进制代码。* 22 常用功能指令a、END1（第一级顺序程序结束）END1（SUB1）格式 代码：一般用在一级程序的最后，在没有一级程序时也要写在整个顺序程序的句首。 b、END2（第二级顺序程序结束）END2（SUB2） 格式 代码： c、TMR（定时器）TMRSUB3 ACTTM00 0000 000.0控制条件 指令 定时器号定时继电器 ACT TM00 T 代表定时器指令中设定的时间(1) 功能: 延时导通定时器(2) 控制条件: ACT=

16、0 关闭定时继电器(TM00) ACT=1 将定时器初始化(3) 设定定时器: 由CNC的CRT/MDI单元进行设置。d、DEC（译码）（1） 功能：当两位BCD码与给定数值一致时输出为1，不一致为0。（2）格式： 译码结果OOOOOOOODEC ACT W1 D OOO.O OOO.O 译码指令 控制条件 指令 译码信号地址 OO OO 译码位数 译码值（3）控制条件：ACT=0 关闭译码输出结果（W1） ACT=1 执行译码 给定数值与代码信号相同时W1=1 不同时W1=0。（4）译码信号地址：指定包含两位BCD代码信号的地址。（5）译码方式：（i）译码值：指定译出的译码值。要求为两位。

17、（ii）译码位数：01：只译低位；高位为0。 10：只译高位；低位为0 11：高低位均译。 （6）W1：当指定地址的被译码数与要求的译码值相等时W1为1，否则为0。e、DCNV（数据转换）（1）功能：将二进制代码转换为BCD码或将BCD码转换为二进制码。（2）控制条件：（i）指定数据大小:BYT=0 处理数据长度为一字节 BYT=1:处理数据长度为二字节.（ii）指定数据转换类型：CNV=0：二进制码转换为BCD码， CNV=1：BCD码转换为二进制码（iii）复位 RST=0解除复位，RST=1复位错误输出线圈W1（iv）执行指令：ACT=0数据不转换，W1不变，ACT=1进行数据转换。（3

18、）格式：DCNVSUB14(R028)OOOO(F010)OOOO BYT OOO.O CNV OOO.O W1 RST OOO.O ACT OOO.O 指令转换结果输出地址 输入数据地址这样我们能够将F010地址中的二进制码转换成BCD码,从而可以对其进行译码了。f、COMP（数值大小判别）功能：输入值和比较值进行比较来判别大小。BYT=0：处理数据为2位BCD码 基准数据比较值 W1=0 比较BYT=1：处理数据为4位BCD码 基准数据比较数据 W1=1 结果输出OOOO OOOO OCOMP BYT W1 OOO.O ACT OOOO.O OOO.OACT=0：不执行W1不变 指令 比较

19、值（数据地址）ACT=1 执行 结果送W1 输入数据格式 常数 0：常数 输入值 1：地址 地址 g、COIN（一致性检测）功能：检测输入值和比较值是否一致。该指令适合BCD数据。BYT=0:处理数据为BCD两位 输入值比较值 W1=0BYT=1:处理数据为BCD四位 输入值=比较值 W1=1 BYT（1） O（3）OOOO（2）OOOOCOIN W1 OOO.O ACT OOOO.O OOO.O 指令 输入值 比较数据 存放地址 输入数据指定格式 常数指定ACT=0:不执行 W1不变 0：常数 地址指定ACT=1:执行,结果送W1 1：地址此外,还有NUME (SUB23) 常数定义; RO

20、T (SUB6) 旋转控制; MOVE (SUB8) 逻辑乘后的数据传送 DISPB (SUB41) 扩展信息显示等等功能代 码。 这些功能指令在实际编程过中大量采用，对于维修人员来说要能够了解，这对于我们读懂PLC梯形图，掌握信息的流程，分析PLC故障是有益的。对于我们维修来说，能够读懂程序也就够了，但现在工厂有许多数控设备年代已久，需要进行改造，如果我们自己能够编制PLC程序，可以节省许多资金。程序的编制的技巧是多样化的，除了遵循一定的规律外，没有一个统一的标准。同样一个动作，可以有不同的程序表现，这其中原因之一是采用了不同的功能指令。四 数控机床PLC的功能在数控机床中PLC的功能主要是

21、承接机床与计算机之间的信息传递并通过PLC的输入/输出口，协调计算机实现刀具轨迹及机床顺序的控制。其具体的功能主要有七个方面。数控机床PLC功能其它报警处理控制软盘驱动装置控制伺服控制输出信号控制机床操作面板控制机床外部开关输入控制图（七PLC功能的多少，视数控机床的控制要求设置。总之，PLC在数控系统中，除了完成可编程输入/输出接口任务外，充分利用它的软件功能的特点，还可协调计算机实现刀具轨迹及机床的顺序控制。五 数控机床PLC控制的故障诊断1、PLC故障的表现形式数控机床PLC出现故障时，常表现有出三种形式：（1）障通过CNC报警直接显示故障原因。数控机床特别是现代数控机床，检测、诊断机床

22、故障的功能非常强大，CNC产生的报警信息也越来越细化，利用这些信息能够快速查找出故障原因并予以排除。（2）故障虽有CNC故障显示，但不能反映故障的真正原因。这类故障常常只显示出一个报警号，没有具体的报警信息内容或者报警内容牵涉到很大的一个范围。 （3）故障没有任何显示提示。2、PLC故障诊断的方法对于第一种故障表达形式，我们可利用CNC详细的报警信息直接查找排除故障。对于第二、第三种故障表现形式，我们必须借助一定的手段进行分析判断故障的原因。（1）根据厂家提供的PLC梯形图和通过操作面板上的DIAGNOSIS软键功能，在CRT上PLC STATUS菜单中观察输入/输出状态信息进行分析判断故障的

23、原因。（2）有些厂家不提供梯形图，这时我们需要借助机外编程器以及装有专用软件的通用微机实时观察PLC梯形图或流程图。如西门子数控系统可以采用PG系列的编程器以及S5、S7专用软件包。（3）直接利用CNC系统上的梯形图跟踪功能跟踪梯形图的运行。如FANUC系统和三菱系统可采用这种方法进行梯形图跟踪。数控机床PLC控制发生故障，首先应判断故障是出现在CNC系统内部，还是在PLC或机床侧。这就要求熟悉CNCPLC之间信息交换的内容，熟悉各测量反馈元件的位置、作用及发生故障时的现象与后果。搞清楚某动作不执行是由于CNC没有给PLC发出指令，还是由于CNC给出了指令而PLC未执行，或是由于PLC无准备好

24、应答信号，CNC不可能提供该指令。因此要在熟悉机床的各部分工作原理和动作顺序，熟悉各个信号的流程，认真阅读PLC梯形图的前提下再利用上述手段对各信号状态进行跟踪分析判断出故障点来。一般数控机床的动作受PLC控制的部分按复杂程度分，可分为刀库换刀部分，主轴转向、停止、变速部分，坐标轴回零及回零减速部分等。我们只要抓住这几个关键部分，充分熟悉其动作顺序，熟读这些部分的梯形图就能够利用PLC的诊断功能迅速查找出故障。3、故障举例例（1）某数车主轴采用变频调速进行驱动。数控系统通过PLC向变频器提供电极正反向信号和正负电压。主轴正转时，PLC输出点Y048.0为“1”来驱动继电器KA4接通,提供给变频

25、器正向信号。同时Y048.7也为“1”驱动继电器KA5接通,向变频器提供一正电压。从而满足电机正向运行的条件。设备在使用当中，出现主轴正向不运转故障，包括正向手动，点动，自动均不能运转。首先，我们必须判断故障是在数控系统侧还是机床侧，采用I/O输入输出点诊断方法检查，发现启动主轴正转时，PLC输出点Y048.0为“0”。 R T SNC(PLC)DI/DO Y048.0 Y048.1 Y048.7 机床变频器 M KA4 正向信号 KA4 KA5 负向信号 KA5 KA6 正向电压 KA10因此，可以判断故障出现在数控系统侧，为此我们调出PLC的梯形图如下： R400.3 手动 R410.3

26、自动KA4正转控制 R400.5 点动Y048.0 (M03) (AUTO) (M05) (互锁) (M30,M02) R402.5 R400.1 R402.7 R410.4 G121.7 R410.3自动 R410.3DEC R028 0311 MF R402.5 译码 M03 BYTDCVN F010 R028 CNV RST R××× MF分析:手动,自动,点动触点同时损坏的可能性很小,因此有可能Y048.0输出点损坏。经接通手动按钮，跟踪查看梯形图动态运行状况，R400.3能够接通,只是Y048.0仍为“0”.确定Y048.0损坏,更换DI/DO模块,故障

27、排除.如果我们有编辑卡的话,不需要更换I/O模块,只要将Y048.0点改写成富裕的空点地址，注意将所有Y048.0改为新地址。例（2）直线光栅损坏的应急修理某加工中心X轴每次行走至中段就会出现很大的震动,加工零件出现几十丝的误差。经查证是1400长的直线光栅玻璃刻度尺出现裂纹破损所至。一时无法得到备件，为了不影响生产，可采取应急的办法。暂时不用直线光栅，利用X轴电机自带的光电编码器作为位置反馈元件进行控制，暂时应急之用。进行替换需要改动系统的参数。和进行简单的计算。（注意，不同系统修改的参数号会不同，参数界面也不同，需要认真阅读有关手册，并且最好通过厂家指导）（FANUC 0i A系统）3、

28、PMC诊断画面操作举例（FANUC0i系统）（1） PMC画面的显示方法SYSTEM（A）按 键（B）按【PMC】软键，显示PMC主画面，并显示如下软键。PMC CONTROL SYSTEM MENU MONIT RUNSELECT ONE OF FOLLOWING SOFT KEYS PMCLAD ：DYNAMIC LADDER DISPLAY PMCDGN ：DIAGNOSIS FUNCTION PMCPRM ：PARAMETER（T/C/K/D） RUN/STOP ：RUN/STOP SEQUENCE PROGRAM EDIT ：EDIT SEQUENCE PROGRAM I/O ：I/

29、OSEQUENCE PROGRAM SYSPRM ：SYSTEM PARAMETER MONIT ：PMC MONITOR【PMCLAD】 【PMCDGN】 【PMCPRM】 【 】 【 】 PMC参数画面显示PMC输入输出信号 顺序程序的动态显示【STOP】【EDIT】【 I/O 】【SYSPRM】【MONIT】系统参数画面顺序程序的输入输出顺序程序的编辑顺序程序的RUN/STOP（2） PMCLAD画面在PMC主画面上按【PMCLAD】软键，可动态显示顺序程序，既梯形图。 （A）梯形图画面 梯形图显示 显示的网号 RUN/STO的状态LADDER NET 0001-0004 MONIT R

30、UN LOG1 LOG1 ALWAYSI LOG1 X1008.4 ESP EMEGENCY STOP END1 PROD PRO POWER ON RESET【 TOP 】【BOTTOM】【 SRCH 】【WSRCH】【NSRCH】 【】其他软键 【FSCRH】 【 】 【 】【ADRESS】【SYMBOL】 （B）显示内容：绿色（低亮度） 触点： 断开 继电器： 关 白色（高亮度） 触点： 闭合继电器： 开（C）检索方法：a 用“PAGE”软键和 软键变换显示位置。b【TOP】：检索梯形图的开头。c【BOTTOM】检索梯形图的底部。d 地址+位+【SRCH】或信号名+【SRCH】检索。e

31、地址+位+【WSRCH】或信号名+【WSRCH】检索。f 网号+【N+SRCH】从指定的网号开始，显示梯形图。g 功能指令号+【FSRCH】或信号名+【FSRCH】。h 【ADRESS】：用地址和网号显示信号i 【SYMBOL】：用信号名（符号）显示信号。（3） PMCDGN画面按【PMCDGN】软键，显示PMC的诊断画面。PMC TITLE DATA #1 MONIT RUN 【 TITLE 】 【STATUS】 【ALARM】 【TRACE】 【 】其他软键【MSRCH】【ANALYS】【 】【 】【I/OCHK】（A）STAUS（状态）画面 显示输入、输出、内部继电器等的开、关状态。PM

32、C SIGNAL STATUS MONIT RUNADDRESS 7 6 5 4 3 2 1 0 ED7 ED6 ED5 DE4 ED3 ED2 ED1 ED0 G0000 0 0 0 0 1 0 1 0 ED15 ED14 ED13 ED12 ED11 ED10 ED9 ED8 G0001 0 0 0 0 0 0 0 0 ESTB EA6 EA5 EA4 EA3 EA2 EA1 EA0 G0002 0 0 0 0 0 0 0 0 G0003 0 0 0 0 FIN 0 0 0 G0004 0 0 0 0 0 0 0 0【 【SEARCH】 【 】 【 】 【 】 【 】 信号状态：0：OFF

33、 1：ON信号名 检索方法 地址号或信号名【SEARCH】软键（B）TRACE（跟踪）画面 ： 跟踪参数画面PMC SIGNAL TRACE MONIT RUN TRACE MODE ： （0：1BYTE/1：2BYTE/2：WORD） 1 ST TRACE ADDRESS CONDITION ADDRESS TYPE ： （0：PMC/1：PHY） ADDRESS ： MASK DATA ： 2ST TRACE ADDRESS CONDITION ADDRESS TYPE ： （0：PMC/1：PHY） ADDRESS ： MASK DATA ： 【TDISP】【 EXEC 】【 】【 】【

34、 】aTRACE MODE ：选择跟踪方式 0：存储一个字节的信号变化。a TRAC MODE ：选择跟踪模式。 0：存储一个字节的信号变化。 1：存储两个字节的信号变化。 2：存储连续两个字节的信号变化。b ADDRESS TYPE：0：用PMC地址设定跟踪地址。c ADRESS ：设定跟踪地址。d MASK DATA ： 用十六进制（2位）可以指定跟踪位。（C）跟踪存储器内容显示画面PMC SINGNAL MONT RUN 1ST ADDRESS=X008（E1） 2ST ADDRESS=G000（FF） NO。 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 0000 · · · · · · · · · · · · · · · · 0001 I · · · · · · · &#