工业电气控制技术第8章

第8章

可编程序控制器在数控机床中的应用数控机床是装有数控系统的自动化机床。FANUC和SIEMENS是全球最著名的数控系统制造商，他们都是将可编程控制器集成于数控系统中。可编程控制器与数控系统一起完成复杂的逻辑运算、信号交换等功能。8.1数控机床及其PLC概述8.1.1数控系统及数控机床什么是数控技术？数控技术利用数字化信息对某一工作过程及运动实现自动控制的一种技术。数控系统？用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、进给驱动与主轴驱动装置、辅助控制装置、反馈装置等。数控装置是数控系统的核心，也是数控机床的“大脑”。因此有时候也将数控装置部分直接叫做数控系统。8.1.2数控机床控制系统结构1.CNC控制部分：以机床工作台（或刀架）的运动轨迹控制为显著特点，通常只用来进行复杂轨迹、精确定位等高精度、高速度加工设备的定位与运动的控制，其使用范围单一，但对轨迹的准确性和位置精度控制要求非常高。数控机床控制系统包括两大部分2.PLC控制部分：

PLC控制以开关量为主，实现数控机床的各种辅助动作的控制，它在数控机床运动过程中，根据CNC内部标志以及机床的控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的逻辑顺序对刀库运动、换刀机构、冷却液等辅助动作进行控制。数控机床控制系统结构数控装置CNCPLC输入装置输出装置操作面板MDI键盘、读卡器、USB设备等显示器、存储卡、其它输入端口等主轴放大器主轴电机进给放大器进给电机I/O模块机床继电器、电磁铁、开关、按钮等机床本体检测装置8.1.3PLC在数控机床中的作用

及应用形式1.作用（1）实现机床操作面板的控制。（2）

将机床侧的开关信号送入到PLC，进行逻辑运算。（3）

将信号输出到继电器、接触器、电磁铁等元件，以控制其运行。（4）将信号输出到系统侧，以改变系统的工作方式、进给倍率、主轴停止、紧急停止等。（5）实现数控机床辅助功能，如：自动换刀、工件冷却、机床润滑、机床照明等。（6）其他作用。如监控诊断、用户报警等功能。作用2.PLC在数控机床中的应用形式（1）数控系统内装式PLC内装式PLC，在设计数控系统之初就将PLC和CNC结合起来考虑。

PLC和CNC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有更宽的信息通道和更高的可靠性。

目前中、高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。2.PLC在数控机床中的应用形式（2）独立式PLC独立式PLC也称外装式PLC，它独立于数控装置，是具有独立完成控制功能的PLC。采用这种应用方式，可根据用户自己的特点，选用不同专业PLC厂商的产品。

8.1.4PLC与数控系统及数控机床间的信息交换PLCCNC（系统侧）MT（机床侧）以PLC为中心以CNC和MT为两侧MT侧至PLC：按钮、开关、传感器等输入信号PLC至MT侧：继电器、指示灯、电磁阀等输出信号CNC至PLC：CNC的工作状态、系统参数、译码信息等PLC至CNC：用于改变CNC工作方式、实施控制等8.2FANUC数控PMC简介

FANUC是全球最大、最著名的CNC生产厂家之一，其产品以稳定、可靠著称，在技术水平上居世界领先地位，产品占全球CNC市场的30%以上。数控系统内装式可编程控制器（PLC）又称为可编程机床控制器（ProgrammableMachineController，PMC）。因此PMC的本质与PLC无异。8.2.1FANUC数控PMC性能规格PMC版本类型PMC-SA1PMC-SB7PMC-LPMC典型数控系统0i-mateC0i-mateD0i-C0i-D编程方法梯形图梯形图梯形图梯形图梯形图级别数2323第一级程序扫描周期8ms8ms8ms8ms基本指令执行速度5μs/步0.033μs/步1μs/步25ns/步梯图最大步数500024000500024000内部继电器R1100B8500B1500B8000B可变定时器TMR40个250个40个250个固定定时器TMRB100个500个100个500个保持型继电器K20B120B120B200B数据表D1860B10000B3000B10000BI/Olink最大输入点数X102410242562048I/Olink最大输出点数Y1024102425620488.2.2FANUC数控PMC编程地址（1）X信号：由机床侧输入到PMC的信号(MT→PMC)，由“字节号.位号”的方法表示。例如：X0.1（2）Y信号：由PMC输出到机床侧的信号(PMC→MT)，表示方法与X信号相同。8.2.2FANUC数控PMC编程地址（3）F信号：来自CNC侧的状态信号(NC→PMC)，这类信号各地址的含义是由系统制造商确定的，用户不能任意分配。各F信号详细含义可以查阅FANUCPMC梯形图语言编程说明书。（4）G信号：由PMC输出到NC侧的控制信号(PMC→NC)，这类信号各地址的含义是由系统制造商确定的，用户不能任意分配。8.2.2FANUC数控PMC编程地址（5）内部继电器R：相当于中间继电器或辅助继电器，它只能在PMC内部供编程使用，不能驱动外部元件。（6）信息显示请求信号A：一般用于PMC外部报警信息显示设置。

8.2.2FANUC数控PMC编程地址（7）定时器T：设置延时动作时间。（8）计数器C：用于脉冲计数。（9）保持型继电器K：主要用于外部设置梯形图运行的某些开关量参数。（10）数据表地址D：该数据在系统断电后仍可以保存而不会丢失，因此常被用作存储刀具的数据表。8.2.3FANUC数控PMC

程序结构及执行原理

FANUC0i数控系统PMC程序除PMC-SA1版本外，通常由第1级程序、第2级程序、第3级程序及子程序组成。

PMC-SA1版本只有第1级和第2级程序，没有第3级程序及子程序SP。

FANUC数控PMC程序结构及执行原理SA1版本只有两级程序SB7及以上版本可以包含子程序第一级程序每8ms扫描并输出刷新一次第二级程序被分割成n份，第n份执行完后再输出刷新。8.2.4FANUC数控PMC编程方法

FANUC数控PMC编程一般使用梯形图语言，这种方法编程简单易懂、功能强大，能实现FANUC数控PMC各种功能的编程。FANUC梯形图编程方法（1）使用FANUC数控系统自带的PMC编程器功能编辑；（2）使用FANUCLADDER-III软件在电脑上编写，然后通过存储卡传入CNC系统，或使用通讯线缆载入CNC系统。1.使用系统PMC编程器编写1步：按[SYSTEM]按钮2步：按扩展软键直到出现[PMC]，再按[PMC]软键。3步：按扩展软键直到出现[EDIT]。4步：按[EDIT]，即可编辑PMC程序梯图、参数等各项内容2.使用LADDER软件在电脑上编写使用LADDER软件编辑程序编辑列表编辑标题编辑系统参数编辑符号地址设置I/O模块编辑PMC外部信息显示梯形图程序梯形图程序结构梯形图程序显示及编辑窗口基本指令编程功能指令编程8.3FANUCPMC编程实例数控机床PLC编程就是根据编程指令格式要求将一个又一个的控制任务的输入与输出的顺序关系描述出来。各个控制任务之间可能是相互独立的，也可能是相互有关联的。8.3.1机床急停处理当机床出现任何紧急情况时，操作者只要按下紧急停止按钮，系统就会出现急停报警，并且机床的所有加工动作及辅助动作（如：主轴旋转、工作台或刀架进给、冷却泵等）都要停止。急停是一种紧急操作动作，从控制的安全角度考虑，数控机床的急停PMC编程信号（*ESP）采用的是负逻辑，所以机床急停功能PMC编程任务的本质是急停解除PMC编程，如果没有编写这个任务机床将始终处于急停未解除状态。

1．急停外部线路连接常闭急停双回路联动一回路由PLC将处理信号传到系统另一回路直接送到伺服放大器，从而使伺服轴快速响应急停信号2.编程元件地址表地址符号含义X8.4*ESP.K急停输入铵钮X5.0OVRLS.K解除超程按键X7.0+XLX轴正向极限开关X7.1+ZLZ轴正向极限开关X7.6-XLX轴负向极限开关X7.7-ZLZ轴负向极限开关G8.4*ESP急停控制信号G71.1*ESPA主轴急停控制信号符号前带*号表示为“0”时有效X地址均为外部向PMC的输入G地址为PMC向CNC输出的控制信号3.梯图程序分析（1）基本急停梯图程序当急停常闭按钮未被按下时，此触点X8.4为导通状态则G8.4为1，此时急停解除，否则急停生效（2）硬件超程急停当各轴正负方向任一限位开关被压下时，主网络都会断开，从而使G8.4为0，系统急停生效需要解除超程急停则按下此按钮，等待系统复位后，各轴就可以手动离开超程点了8.3.2数控机床工作方式选择编程

人们对数控机床的任何一种操作，如手动进给、程序编辑、参数输入、自动加工等，都必须在数控系统的某一特定的工作方式下进行。数控机床的工作方式转换的操作方法通常有按键式和旋转波段开关式两种

FANUC数控系统在未进行工作方式的PMC编程时，只能处于MDI（ManualDataInput，手动数据输入）工作方式。系统屏幕上显示的当前工作方式CKA6140工作方式梯形图编程实例

机床操作面板上的七个按键，其功能分别是：自动、编辑、MDI、DNC、回零、手动、手轮。机床刚开机时系统处于回零工作方式，当用户手动按下工作方式中的任何一个按键时，系统将转换到按键对应的工作方式，原工作方式解除。工作方式编程元件地址表（1）PMC与机床侧之间的I/O地址输入地址输出地址地址符号含义地址符号含义X5.1AUTO.K自动输入按键Y5.1AUTO.L自动LED灯X5.2EDIT.K编辑输入按键Y5.2EDIT.L编辑LED灯X5.3MDI.KMDI输入按键Y5.3MDI.LMDILED灯X5.4DNC.KDNC输入按键Y5.4DNC.LDNCLED灯X5.5HND.K手轮输入按键Y5.5HND.L手轮LED灯X5.6JOG.K手动输入按键Y5.6JOG.L手动LED灯X5.7REF.K回零输入按键Y5.7REF.L回零LED灯分别对应数控机床操作面板上的一个按钮分别对应数控机床面板上的一个状态指示灯（2）PMC与CNC之间的I/O地址工作方式PMC→CNC的控制信号CNC→PMC的确认信号G43.7（ZRN）G43.5（DNC）G43.2（MD4）G43.1（MD2）G43.0（MD1）自动运行（MEM）00001F3.5（MMEM）程序编辑（EDIT）00011F3.6（MEDT）MDI数据输入（MDI）00000F3.3（MMDI）DNC在线加工（RMT）01001F3.4（MRMT）手轮进给（HND）00100F3.1（MH）手动连续（JOG）00101F3.2（MJ）回零（REF）10101F4.5（MREF）G信号（控制信号）是PMC编程的关键F信号常用来确认系统的某种状态3.工作方式梯图程序分析数控机床工作方式PMC程序的关键就是要接收机床侧的按键信号（X信号），然后根据按键信号的功能特点向CNC侧输出符合特定规律要求的控制信号（G信号）。机床的工作方式PMC梯图程序，可分解为两部分，一是对操作面板上工作方式的按键和指示灯的处理，二是对CNC侧的控制信号的处理。

工作方式的按键和指示灯的处理梯形图程序用[自动]按钮接通“自动方式”状态使“自动方式”状态自锁保持用除当前方式外，其他任何一种方式的按钮来解除当前方式其他方式的梯图与自动方式相似工作方式的按键和指示灯的处理梯形图程序工作方式的按键和指示灯的处理梯形图程序在其他方式都未打开时，[回零]就有效，可实现开机时初始方式为[回零]工作方式的CNC侧控制信号的处理梯形图程序数控机床的工作方式是由G43.0、G43.1、G43.2、G43.5、G43.7这些信号组合起来控制的，所以编写梯形图程序使每一个G信号在它们为“1”的工作方式（根据PMC与CNC之间的I/O地址表）时接通左母线即可。工作方式的CNC侧控制信号的处理梯形图程序根据PMC与CNC之间的I/O地址表，G43.0应在[自动]、[编辑]、[DNC]、[手动]、[回零]五种方式时为“1”工作方式的CNC侧控制信号的处理梯形图程序工作方式的其他控制信号G43.1、G43.2、G43.5、G43.7的处理方法与G43.0相似，梯形图程序可仿照上一页面编写。8.3.3系统运行功能控制数控机床在自动加工零件过程中，用户能对加工过程进行控制和操作，这就是数控系统运行功能控制。标准数控机床一般至少包括循环启动、进给暂停、单段执行、选择停、程序跳段、机床锁住、空运行等功能。控制任务介绍：在机床处于自动方式或MDI方式时，按下[循环启动]按钮，系统将开始执行数控加工程序。在执行加工程序过程中按下[进给保持]按钮，系统在执行完当前加工程序段后暂停。单段执行、选择停、程序跳段、机床锁住、空运行等功能原理都相近，这些功能在处于关闭状态时按一下对应的功能按键将被开启，而当它们处于开启状态时按一下对应的功能按键此功能将被关闭。

梯图程序分析

（1）程序单段执行控制程序单段执行只在自动方式和MDI方式下有效，当CNC侧的单段执行控制信号G46.1为1时，系统在执行完每一行加工程序段后自动进入进给保持状态，当再次按下循环启动按钮后，程序才执行下一行程序段，从而实现对零件加工程序的逐段执行。

程序单段执行控制X0.0为机床控制面板上的“单段”按钮地址由于扫描周期的存在使R200.1晚于X0.0一个周期后动作R200.0产生为一个扫描周期的脉冲信号当G46.1为“0”时，R200.0使G46.1变为1；当G46.1为“1”时，R200.0使G46.1变为0。[自动]和[MDI]两种方式的判断单段运行的控制信号单段运行的状态信号（2）选择停控制当数控系统执行零件加工程序时遇到M00指令，则向PMC输入信号DM00（F9.7）后，加工程序处于进给暂停等待状态，当再次按下循环启动按钮时，程序继续执行。当数控系统执行零件加工程序时遇到M01指令，则向PMC输入信号DM01（F9.6），加工程序是否暂停保持取决于机床面板上的选择停按键功能是否打开。如果面板上的选择停功能打开则加工程序处于进给暂停等待状态，否则数控系统连续执行后面的程序。（2）选择停控制梯图系统执行到加工程序M00代码时向PMC输入F9.7信号自锁系统执行到加工程序M01代码时向PMC输入F9.6信号当Y0.1选通时F9.6才有效[循环启动]按钮（3）程序跳段程序跳段功能是系统在自动运行期间，为了方便对加工程序进行测试，可以在某些程序段号前加一个斜杠符号标识，这时系统将不执行这段程序而跳到下一行程序段。程序跳段功能必须要编写PMC程序使其控制信号G44.0置1，若G44.0为0则系统不会跳过加斜杠的程序段而是正常顺序执行。（3）程序跳段梯图程序跳段的控制信号（4）机床锁住在零件的数控加工开始之前，可以通过机床锁住功能先执行自动运行程序测试，通过图像检查零件程序是否正确。数控机床运行过程中，若机床锁住信号G44.1为1，则系统停止向伺服电机输出脉冲，将所有进给轴锁住，而轴位置状态仍显示变化。因此可以不进行实际加工而通过图像观察位置显示的变化。（4）机床锁住梯图程序跳段的控制信号（5）空运行空运行是数控机床以恒定的进给速度运动而不执行加工程序中所指定的进给速度，常用于快速执行程序检查工作。（5）空运行梯图空运行的控制信号（6）循环启动和进给保持当数控系统在存储器自动加工运行方式、DNC运行方式或MDI方式时，手动按下面板上的循环启动按钮，则CNC进入自动运行状态开始执行零件加工程序。在自动运行期间，当按下进给保持（进给暂停）按钮时，CNC进入运行暂停状态。循环启动的控制逻辑循环启动使用的是PMC到CNC的控制信号G7.2（ST）由“1”变为“0”的下降沿，循环启动按钮开关按下（X0.6为1）时，系统循环启动信号G7.2为1，当松开循环启动按钮（X0.6为0）时，系统循环启动信号由1变为0（信号的下降沿），系统执行自动加工，同时系统的循环启动状态信号F0.5为1。进给保持的控制逻辑进给保持（进给暂停）使用的进给保持有效信号G8.5（*SP）。G8.5为负逻辑信号，即当G8.5为0时系统处于进给暂停状态，此时即使遇到G7.2（ST）的下降沿信号系统仍然不能循环启动。只有当G8.5保持为1时，系统循环启动功能才能有效。循环启动和进给保持的梯形图实现选择停功能进给保持按钮循环启动按钮8.3.4速度倍率修调控制数控机床在运行过程中的进给速度和主轴旋转速度都可以通过倍率修调旋转开关在一定范围内调节。数控机床的实际进给速度是加工程序给定进给速度（或系统参数设定速度）与进给倍率修调值相乘而得。1．控制任务介绍当旋转进给倍率修调开关时，可以使机床实际进给速度在编程进给速度F的0%～120%范围内进行修调。

进给倍率修调开关2.编程元件地址表输入地址符号说明内部继电器X1.0F-S1进给倍率修调开关输入信号1R205.3～R205.0X1.1F-S2进给倍率修调开关输入信号2X1.2F-S3进给倍率修调开关输入信号3X1.3F-S4进给倍率修调开关输入信号4进给倍率的控制信号分为手动进给和自动运行两种方式的倍率控制信号。手动进给倍率使用*JV15～*JV0（G11、G10）控制；自动运行进给倍率由*FV7～*FV0（G12）控制。进给倍率与控制信号对照表

序号进给倍率修调开关地址G11←G10（手动进给）G12（自动运行）倍率值%X1.3X1.2X1.1X1.0*JV15←*JV0十进制*FV7←*FV0十进制0000000000000

0000

000000000000000100011111111100110111-20111111101-32200111111111001101111-40111111011-54300101111110110100111-60111111001-76401101111110000010111-100111110101-1110501111111110000101111-200111101011-2120601011111010001000111-300111100001-3130701001111000001011111-400111010111-4140811001110110001110111-500111001101-5150911011110100010001111-600111000011-61601011111110010010100111-700110111001-71701111101110000010110111-800110101111-81801210101101110011010111-900110100101-91901310111101100011101111-1000110011011-1011001410011101010100000111-1100110010001-1111101510001101000100011111-1200110000111-1211203.代码转换指令CODB介绍代码转换指令CODB，作用是把二进制格式的数据转换成1字节、2字节或4字节的二进制数据。

CODB指令的具体执行过程是：先根据输入、输出关系编写一个数据表，根据表内号（转换数据输入地址内的数据）的顺序，把表内数据（十进制表示）自动输出到输出地址中，并以1字节、2字节或4字节的二进制方式存储。3.代码转换指令CODB介绍RST：复位，当RST为1时，停止转换执行条件，当ACT为0时，不执行CODB指令；当ACT为1时，可以执行CODB指令说明：指定转换数据表中二进制的字节数，0001表示1字节二进制数，0002表示2字节二进制数，0004表示4字节二进制数。说明：指定转换表的范围（0～255），数据表内号开始单元为0号，最后单元为n号，数据表的容量为n+1说明：指定转换数据所在数据表的表内号地址。说明：将数据表内指定的1字节、2字节和4字节数据转换后输出的地址手动进给倍率梯形图程序设计

若机床的倍率波段开关采用的格雷码编码，则在进行手动进给倍率梯形图设计时，应先将格雷码转换成普通二进制码。格雷码转换为普通二进制码（解码）方法：

最左边一位保持不变，从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值“异或”，作为该位解码后的值。

格雷码转换为普通二进制码程序

最左边一位保持不变X1.2与R205.3作“异或”运算从左边第二位起，将每位与左边一位解码后的值“异或”，作为该位解码后的值手动进给倍率梯形图程序经过转换后存储单元R205内的数据随着倍率修调开关顺时针旋转时，呈0、1、2、……、15的顺序变化。8.3.5手动进给控制手动进给是指数控机床在JOG进给方式下，按住机床操作面板上的+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z等按键时，机床坐标轴将沿按键指定轴方向移动。本实例将分析介绍数控机床这种手动连续进给控制的PMC程序。机床的手动进给是各轴单独实现控制的，其控制信号是：+X：G100.0，+Y：G100.1，+Z：G100.2；－X：G102.0，－Y：G102.1，－Z：G102.2。手动进给梯形图程序+X按钮地址回零时自锁，不需要一直按住按钮回零工作方式当系统寻找到零点时F94.0变为1，使轴停止移动仅JOG方式和增量方式时有效与反向进给形成“互锁”控制紧急复位或急停时轴停止进给回零时坐标移动8.3.6手轮进给控制手轮进给是数控机床上非常重要、应用非常广泛的一种功能，数控机床在手动对刀或小距离手动进给时，一般都要采用手轮进给方式，它为操作者带来了许多方便。便携手轮操作方法是：将机床操作面板上的工作方式转换到手轮方式（HND），再将便携手轮上的轴选开关转换到要进给的轴，将倍率开关转换到X1、X10、X100中的某一档，然后顺时针或逆时针摇动手摇脉冲发生器，则机床相应的轴就向正或向负方向以每个脉冲0.001mm、0.01mm、0.1mm的当量进给。数控铣床XK714手轮进给的控制信号

G18.3(HS1D)G18.2(HS1C)G18.1(HS1B)G18.0(HS1A)选择的机床坐标轴0000无选择0001第1轴0010第2轴0011第3轴0100第4轴（1）轴选信号数控铣床XK714手轮进给的控制信号

（2）倍率信号手轮倍率MP2（G19.5）MP1（G19.4）X100X1001X10010X100011注：此表中的X100和X1000分别需要在参数No7113、No7114中设定。数控铣床XK714手轮进给的梯图程序

增量值对照控制信号表轴选对照控制信号表8.3.7数控车床主轴换档控制

数控机床的主轴形式很多，主轴的工作要求区别也较大，所以关于主轴的PMC控制程序区别也很大，例如比较常见的有高低速换档控制、正反转控制、定向控制等。采用模拟主轴的数控车床，因无极变频调速范围不能满足使用需要，所以在主轴箱的机械传动方面常设置2～4级机械换档装置以满足低速大转矩要求。1.控制任务介绍

数控系统的车床CKA6140为例，该机床采用的模拟主轴，主轴箱是带有手动换档的高、低档两级机械调速结构。主轴停止时，手动转换主轴箱前面的高、低速手柄，其中低速档范围是40～400转/分钟，高速档范围是280～2800转/分钟。说明：

FANUC数控系统参数3741、3742、3743可设置各档位主轴的最高转速。主轴换档PMC程序的作用就是要通过扫描高、低档位接近开关输入信号，经过处理后传送到CNC，CNC根据PMC处理的控制信号确定机床主轴当前档位的最高转速是由参数3741、3742、3743中的哪一个决定。2.编程元件地址表（1）机床的高、低速档位接近开关的输入地址：

地址档位连接速度范围X4.4高速挡接近开关地址（常开）280~2800X1.4低速挡接近开关地址（常开）40~400（2）PMC→CNC的换挡控制信号地址：

主轴最高转速参数

GR2（G28.2）

GR1（G28.1）

3741（设定为2800r/min）

003742（设定为400r/min）

013743（设定为0）

103.CKA6140主轴手动换档梯图程序固定定时器指令主轴旋转指令主轴旋转指令执行2s后可执行后面的指令代码高速挡接近开关低速挡接近开关双速换挡中始终为0；三速换挡中必须使用。低速时为1高速时为0G29.6为1时主轴才能起动确保挡杆必须在高速或低速任一挡位时主轴才能起动8.3.8用户报警信息显示当数控机床出现某些故障时，经常在屏幕上方可以看到反映故障情况的报警信息，这些报警信号是用于数控机床故障诊断与维修的重要依据。报警信息号在1000之后信息，是用户通过PMC编写的一种报警信息。任务介绍

FANUC数控PMC提供一种编程地址：信息显示请求信号地址A。该地址的每一位可指向一条数据表，该数据表存储的是用户编写的各种信息数据。当A地址的某一位变为1时，使用DISPB功能指令就可以将该位地址对应的数据信息内容显示到屏幕上。

信息显示数据的编写双击Message打开信息编辑窗口编辑显示信号用户报警信息显示梯图程序信息显示指令屏幕最多显示8条信息当A*.*为1时其信息被显示8.3.9数控机床润滑控制数控机床运行时，为了使机床导轨、滚珠丝杠和轴承等部件稳定工作，需要对其进行润滑。现代数控机床一般采用定时自动润滑方式，这种方式简单方便，免去了操作麻烦，平时操作者几乎可以不用考虑机床润滑的工作，当润