《机床电气控制与plc》课件第7章__PLC与数控机床

1、第7章 PLC与数控机床 7.1概述7.2 PLC与数控机床的控制7.3 PLC与CNC及机床之间的信号处理7.4 PLC在数控机床中的应用 7.1概述 7.1概述7.2 PLC与数控机床的控制 PLC主要完成与逻辑运算有关的动作, 并对其动作进行顺序控制,如主轴的正反转和停止、准停、主轴的起动和停止、刀架换刀、卡盘夹紧/松开、工作台交换、冷却和润滑控制、报警监测、排屑、机械手取送刀等一些辅助动作；还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制；对输出信号(刀库、机械手、回转工作台等) 进行控制。它还接收机床操作面板的指令,一方面直接控制机床的动作,另一方面将一部分信息送往数控装置

2、用于加工过程的控制。7.2 PLC与数控机床的控制 7.2.1PLC在数控机床中的应用形式 PLC在数控机床中应用分为两大类:一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的，是由CNC生产厂家将数控装置(CNC)和PLC综合起来而设计的称为内装型PLC；另一类是专业的PLC生产厂家的产品, 它的输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均满足数控机床控制要求的称为独立型PLC。 自动换刀装置自动排削装置自动润滑装置液压站回转台和交换台数 控 机 床 辅 助 装 置 7.2.2内装型PLC 1.内装型PLC与CNC的关系 数控机床有内装型PLC和独立型PLC，内装型PL

3、C集成在CNC装置中, 也称集成式PLC，它从属于CNC装置,是CNC装置的一个部件,PLC与NC之间的信号传送是在CNC装置内部总线实现的。PLC与数控系统共用一个CPU, PLC中的信息可通过CNC的显示器显示,其软件存储在存储板上的ROM中。现代数控机床的PLC大都采用内装式, PLC与数控机床之间是通过CNC的输入/输出接口电路实现信号传送的。如图6-1所示。图7-1 内装型PLC与CNC系统框图 2.内装型PLC的特点（1)在系统的结构上, 它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。PLC可与CNC共用CPU, 相对价格低,也可单独使用一个CPU； 控制处理速度快,并能增加控制功

4、能，有独立的微处理器,多用于顺序程序复杂及动作速度要求快的场合。内装型PLC一般单独制成一块附加板,插装到CNC主板插座上 。 (2)内装型PLC系统的硬件和软件整体结构十分紧凑、 体积小、 无噪声、无振动、抗干扰能力强。它与CNC其他电路同装在一个机箱内,共用一个电源和地线。 (3)内装型PLC的硬件控制电路可与CNC装置的其他电路制作在同一块印刷电路板上,也可以单独制成一块附加印制电路板；内装型PLC对外没有单独的I/0接口电路,而是使用CNC装置本身的I/0接口电路。电源由CNC装置提供, 不需另备电源。 (4) 内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能, 一般作为CNC装置的一种

5、基本功能提供给用户。其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统统一设计制造的。 (5)由于用电子电路或电力半导体器件取代继电器, 无接触不良、触点氧化、磨损等问题，节省电能，可靠性高。6.2.3独立型PLC1、独立型PLC与CNC的关系 独立型PLC又称外装型PLC，它独立于NC装置，不从属于CNC装置, 具有独立完成控制功能的PLC。大多采用模块化结构,装在插板式笼箱内, 它的CPU、系统程序、用户程序、I/O电路,通信等均设计成独立的模块，I/O点数可以通过I/O模块的增减、配置灵活。可以实现对外部伺服装置直接进行控制, 可以扩大CNC的控制功能。它是适应范围较广、

6、功能齐全、通用化程度较高的PLC。对数控机床而言, 独立型PLC独立于NC装置,具有完备的硬件和软件结构,能够独立完成规定的控制任务。采用独立型方式时，要根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。采用独立型PLC的数控机床系统框图如图72所示。 2、独立型PLC特点:(1)有自己的I/O接口电路, PLC与CNC装置、 PLC与机床侧的连接都通过I/0接口电路连接。 (2)大都采用模块式结构或插板式结构,各功能电路多做成独立的模块或印刷电路插板, 装在插板式机箱内,具有安装方便, I/0点数可通过I/0模块或插板的增减灵活配置，功能易于扩展和变换

7、等优点，有的独立型PLC还可通过多个远程终端连接器构成有大量I/O点的网络，实现大范围的集中控制。 （3)可以扩大CNC的控制功能,可以形成两个以上的附加轴控制。 (4)性能价格比不如内装型PLC,独立型PLC的造价较高,所以其性能价格比不如内装型PLC。 7.2.4 PLC在数控机床中的控制功能 1、机床操作面板控制 这一部分接口电路主要是控制MDI面板、操作面板、数码显示、CRT显示等。 将机床操作面板上的控制信号直接送入PLC,以控制数控系统的运行。 2 机床外部开关信号的控制 将机床侧的开关信号送入PLC,经逻辑运算后,输出给控制对象。这些控制开关信号，包括了检测元件信号。 3、输出信

8、号控制 PLC输出的信号可由外围控制电路中的继电器、接触器和液压及气动电磁阀对刀库、 机械手、回转工作台、冷却、 润滑和油泵电机等进行控制。4、伺服控制通过驱动装置,控制主轴、进给刀库的使能信号， 以满足伺服驱动的条件。5 报警处理控制当机床出现故障时，因PLC收集了强电柜、机床侧和伺服驱动的故障信号， 会将报警标志区中的相应位置报警，数控系统便显示报警号及报警文本，能很方便地进行故障诊断。7.3 PLC与CNC及机床之间的信号处理PLC在数控机床中采用逻辑运算实现各种开关量控制，代替了传统的机床强电控制的继电器。PLC在数控装置和机床之间进行信号的传送和处理, 把数控装置对机床的控制信号,通

9、过PLC去控制机床动作， 实现机床自动控制。 7.3.1 CNC侧与MT侧的概念在分析数控机床的PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、机床强电线路等的各部分信号之间的关系时,常把数控机床分为“CNC侧”和“MT侧”两大部分。 1、CNC到MTCNC的输出数据经PLC逻辑处理,通过I/O接口送至MT侧。CNC到机床的信号主要是M、S、T等功能代码。 2、MT到CNC从机床侧输入的信号经PLC逻辑处理传送到CNC装置中。机床侧传递给PLC的信号是机床操作面板上各开关、按钮等信息。7.3.2 PLC与CNC及机床间的信息交换PLC与CNC及机床之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要

10、的。数控系统中PLC的信息交换,就是以PLC为中心,在CNC、PLC和MT间的信息传送，PLC与CNC侧和MT侧三者之间的信息交换，通常包括如下四个部分。 1.MT侧至PLC MT侧的开关量信号通过I/O单元接口向PLC发送的信息, 主要包括机床操作面板上各开关、按钮等信号,以及各运动部件的限位信息。其中包括起动/停止,主轴正转/反转/停止、切削液的开/关、机械变速选择、倍率选择、各坐标轴点动和刀架、卡盘的夹紧/松开等信号,以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服状态监视信号和伺服系统运行准备等信号。这些信号通过I/O单元接口输入至PLC中。2、PLC至MT侧PLC向MT侧发送的信息主要是

11、控制机床执行元件的执行信号, 如接触器、电磁阀、继电器的通/断电等动作信号以及确保机床各运动状态的信号以及故障报警指示，这些信号通过PLC的开关量输出接口送到MT侧。3、CNC侧至PLCCNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中, CNC侧发给PLC的信息主要功能代码是M、S、T的功能信息,手动/自动方式信息及其他的状态信息。PLC通过信息交换,接收CNC的命令信息, 实现辅助功能的控制；并把逻辑控制的结果信息,再送回CNC装置。PLC的信号及PLC的地址均由制造商确定,用户只能使用,不能改变和增删。4、PLC至CNC侧PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成, PLC发

12、给CNC的信息主要功能代码是M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。是经PLC处理后的逻辑信息。 7.3.3 PLC 与CNC及机床之间的信号处理过程1.CNC装置 机床 CNC装置 CNC装置的RAM PLC的RAM中。PLC软件对RAM中的数据进行逻辑运算处理。将处理后的数据还放在PLC的RAM中。 2.机床 CNC装置 对于内装型PLC,机床输入的开关量信号 CNC装置的RAM PLC的RAM。PLC的进行逻辑运算处理后的数据还在PLC的RAM中,同时传送到CNC装置的RAM中,由CNC装置软件读取RAM中数据。7.3.4数控系统PLC的工作过程PLC在数控机床中的工作

13、过程，和通常的PLC工作过程基本上是一致的，CPU对用户程序作周期性的循环扫描,运行时,逐条地对用户程序进行解释和执行。分为以下几个步骤： 1.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，读入到数据输入映象寄存器中。程序中的数据并不直接来自I/O接口,而是来自被称为数据映像寄存器中。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，读到数据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，并且同时读入数据输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关

14、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、输出刷新阶段：当所有指令执行完成后，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，通过特定方式输出，驱动外部负载。 7.4 PLC在数控机床中的应用7. 4.1 FX系列可编程机床控制器1、PLC控制步进电动机（1）电路原理 数控机床的开环运动控制所用驱动,大多数采用步进电动机控制。一般CNC输出信号通过功率放大器后再驱动电动机。本例是采用PLC直接进行电动机控制的。 按步进电机绕组的通电方式有：三相单三拍（通电顺序为：ABCA）、三相双三拍（通电顺序为：ABBCCAAB）和三相六拍（通电顺序

15、为:AABBBCCCAA）。 当步进电动机的工作方式是三相六拍时,电动机有三组线圈, 电动机正转时,其环形分配方式为AABBBCCCAA；当电动机反转时,其环形分配方式为AAC-CBBBAA。步进电动机正、反转绕组的状态真值表如表7-2所示。 （2）步进电动机控制梯形图和程序如果将正、反转A、B、C相关系进行相加即得图7-3所示的PLC控制步进电动机梯形图和程序。2、PLC控制加工中心数控加工中心的刀库由步进电动机或直流电动机控制,如图6-4所示为一回转式加工中心刀库工作台模拟装置,上面共设了8把刀,每把刀均有相应的刀号地址,分别为1、2、3、8。刀库转动时,将有霍尔开关检测信号,反映刀号位置

16、。图7-4 加工中心刀库模拟装置示意图 （1）电路原理 PLC控制直流电动机的例子可以用加工中心刀库的直流电气控制进行说明。在图6-4所示的加工中心刀库模拟装置中,分别有控制直流电动机旋转的CW/CCW即正、反转信号输入端,有刀库到位显示信号FH输入端,有检测刀库位置开关的T输出信号端。 按加工中心要求,设当前刀号(如7号)在A位置,即在图7-4所示霍尔传感器的刀号检测位置上。所取刀号B(设下次取的刀号位置)假设为2,当起动信号发出后,该刀库中心圆盘应从B转向A,从逆时针方向转动,转动到位后,电动机停转。PLC控制刀库转动方向的程序流程图如图7-5所示。（2）控制程序 根据图7-5所示流程图,

17、编写的PLC控制梯形图和程序如图7-6所示。7.4 2 FANUC PLC 可编程机床控制器 数控机床用FANUC PLC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-GT和PMC-L、PMC-SA1、PMC-SA3等很多种型号,它们分别适用于不同的FANUC系统组成内装型的PLC。FANUC数控系统中的PMC与PLC非常相似。因为是专门用于机床,所以称为可编程序机床控制器(PMC)。FANUC系列的PLC中,有基本指令和功能指令两种,不同型号,其功能指令的数量有所不同,除此之外,指令系统完全相同。 在基本指令和功能指令执行中,PLC用一个堆栈寄存器暂存逻辑操作的中间结果,堆栈寄存

18、器一共有9位,如图7-7所示,是按照“先进后出、后进先出”的原理工作。“写”操作结果压入时,堆栈各原状态全部左移一位；“取”操作结果时,堆栈全部右移一位,最后压入的信号首先恢复读出。堆栈寄存器(存储逻辑操作的中间结果) 堆栈寄存器(暂存运算的中间结果) 正在执行运算的结果 1.基本指令 基本指令有12条, 指令及处理内容见表7-5。电动机正反转控制梯形图如图7-8所示。其中,X1.0为正转启动按钮；X1.1为反转启动按钮；X1.2为停止按钮地址；Y48.0为正转输出；Y48.1为反转输出。 图7-8所示的梯形图和程序语句，采用的是FANUC PLC可编程机床控制器的指令绘制的梯形图和编的程序，图7-9所示的梯形图和程序语句，采用的是三菱FX 指令 。它们之间梯形图完全一样，操作码和操作数有区别。在实际应用中，要注意区分。图7-8 FANUC PLC 图7-9 FX系列PLC 2.功能指令数控机床使用的PLC指令必须满足数控机床信息处理和动作顺序控制的要求,如在CNC输出的M、S、T二进制代码信号的译码(DEC)