数控机床PLC技术

数控机床PLC技术第一页，共69页。6.1PLC在数控机床中的应用6.2FANUC系统PMC编程技术6.3华中数控系统PLC技术6.4PLC控制模块的故障诊断方法第6章数控机床PLC技术第二页，共69页。6.1PLC在数控机床中的应用

数控系统内部处理的信息大致可分为两大类：一是控制坐标轴运动的连续数字信息，这种信息主要由CNC系统本身去完成；另一类是控制刀具更换、主轴启停、换向变速、零件装卸、切削液的开停和控制面板、机床面板的输入输出处理等离散信息，这些信息一般用PLC来实现。PLC在CNC系统中是介于CNC装置与机床之间的中间环节。它根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算并完成输出功能。第三页，共69页。1．数控机床中PLC的分类

通常的PLC是一个独立的控制装置，由CPU、存储器、电源、I/O接口等构成独立的控制系统。从数控机床应用的角度分，可编程控制器可分为两类：一类是CNC的生产厂家将数控装置（CNC）和PLC综合起来而设计的“内装型”PLC。PLC与数控机床之间则通过CNC输入／输出接口电路实现信号传送，如图6-1所示。另一类是专业的PLC生产厂家的产品，称为“独立型”PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件结构，能够独立完成规定的控制任务。性能∕价格比不如内装型PLC。采用独立型PLC的数控系统框图如图6-2所示。第四页，共69页。2．CNC、PLC、机床之间的信号

（1）CNC侧与MT侧的概念（2）PLC、CNC、机床间的信息交换数控系统中PLC的信息交换，是以PLC为中心，在

CNC、PLC和机床之间的信息传递。PLC与

CNC之间交换的信息分两个方向进行，其中由

CNC发给

PLC的信息主要包括各种功能代码

M、S、T的信息等。而由

PLC发给CNC的信息主要包括

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。例如机床的启动／停止等信号，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等。掌握PLC的编程方法是利用PLC进行故障诊断和维修的前提条件。第五页，共69页。FANUC系统可以分为两部分：控制伺服电动机和主轴电动机动作的系统部分和控制辅助电气部分的PMC。FANUC系统信息交换如图6-3所示。6.2.1

PMC程序执行顺序

以图6-4、图6-5两个电路为例，在A触点接通以后，B、C线圈会有什么动作？如果是继电器电路，可以认为是动作与电路的分布位置无关，图6-4、图6-5的情况相同，均为B、C先同时接通，而后B断开。在图6-4中，与继电器的情况相同，B、C先接通，而后由于C的接通断开B。在图6-5中，按顺序执行的话，却只有C接通，因为C的接通使B线圈不能接通。在实际运用中，图6-4中的B线圈可以用作输入信号A的上升沿脉冲信号。第六页，共69页。ACBACCBAAC图6-4电路1图6-5电路2PMC顺序程序按优先级别分为两部分：第一级和第二级顺序程序。划分优先级别是为了处理一些宽度窄的脉冲信号，这些信号包括紧急停止信号以及进给保持信号。第一级顺序程序每8ms执行一次，这8ms中的其他时间用来执行第二级顺序程序。第二级顺序程序很长的话，就对它进行划分，划分得到的每一部分与第一级顺序程序共同构成8ms的时间段。梯形图的循环周期是指将PMC程序完整执行一次所需要的时间。循环周期等于8ms乘以第二级程序划分所得的数目，PMC程序执行顺序框图如图6-6所示。第七页，共69页。6.2.2

PMC编址

PMC顺序程序的地址表明了信号的位置。这些地址包括对机床的输入输出信号和对CNC的输入/输出信号、内部继电器、计数器、保持型继电器、数据表等。每一地址由地址号(每8个信号)和位号(0到7)组成。可在符号表中输入数据表明信号名称与地址之间的关系。地址有以下种类，不同类别地址符号也不相同。第八页，共69页。Y5.3FY5.2EX5.4DX2.0X1.1ABCR2.1GR5.1R200.1W1W2R200.06.2.3

PMC基本指令X1.1=1，X2.0=1，R2.1=1时R200.0输出X5.4=1Y5.2=0，R5.1=1时R200.1输出为1第九页，共69页。SUB1END1SUB2END2SUB64END第十页，共69页。4．定时器指令5．固定定时器6．译码指令SUB3TMR定时器号ACTW1SUB24TMRB定时器号设定时间ACTW1ACTSUB4DEC译码信号地址译码指示W1第十一页，共69页。7．二进制译码指令

说明：对1、2、4字节长的二进制形式的代码数据进行译码。代码数据一致时，对应的位即为“1”如不一致，则为“0”。

形式指定：代码数据的形式为1：1字节长；1：2字节长；4：4字节长。

代码信号地址：制定进行译码的数据的起始地址ACTSUB25DECB形式指定代码信号地址译码指示译码结果输出地址第十二页，共69页。8．计数器指令9．回转控制指令CN0UPDOWNRSTACTSUB5CTR计数器号W1ACTINCBYTRN0DIRPOSSUB6ROT回转体的分度数当前位置地址目标位置地址结果输出地址W1Ｗ１第十三页，共69页。10．二进制回转控制指令

说明：可用地址指定回转体的分度数。另外，进行处理的数值都为二进制形式，其它功能与ROT指令相同。RN0DIRPOSSUB26ROTB形式指定回转体的分度数地址当前位置地址目标位置地址结果输出地址INCACTW1Ｗ１第十四页，共69页。11．代码转换指令12．二进制代码转换指令BYTRSTACTSUB7COD变换数据数变换输入数据地址变换输出数据地址W1RSTACTSUB27CODB形式指定变换数据数变换输入数据地址变换输出数据地址W1第十五页，共69页。13．逻辑乘后数据传送指令14．数据变换指令ACTSUB8MOVE比较数据高4位比较数据低4位输入数据地址输出数据地址BYTCNVRSTACTSUB14DCNV输入数据地址输出数据地址W1第十六页，共69页。15．比较指令16．一致性判断指令BYTACTSUB15COMP形式指定基准数据（常数或地址）比较数据地址W1BYTACTSUB16COIN基准数据形式指定基准数据（常数或地址）比较数据地址W1第十七页，共69页。17．检索指令18．二进制检索数据BYTRSTACTSUB17DSCH数据表的数据数数据表的起始地址检索数据地址检索结果输出地址W1RSTACTSUB34DSCHB形式指定数据表数据数存储地址数据表的起始地址检索数据地址检索结果输出地址W1第十八页，共69页。19．变址修改数据传送20．二进制变址修改数据传送BYTRWRSTACTSUB18XMOV数据表的数据数数据表的起始地址输入输出数据的存储地址数据表内号存储地址W1BYTRSTACTSUB17DSCH形式指定数据表的数据存储地址数据表的起始地址输入输出数据存储地址表内号存储地址W1第十九页，共69页。21．常数定义指令说明：定义BCD2位或4位常数。BYT=0：进行处理的数据为2位BCD码。=1：进行处理的数据为4位BCD码。ACT=1：执行NUME指令。BYTACTSUB23NUME常数常数输出地址W1第二十页，共69页。6.2.5数控机床PMC屏幕画面功能本文以FANUC0imateTC为例，说明数控机床PMC画面功能及具体操作。首先按下系统功能键“system”，进入图6-7画面然后按下“PMC”键，进入PMC画面，如图6-8所示1．实时梯形图画面按下图6-8中的“PMCLAD”键，即进入实时梯形图画面，如图6-9所示。在实际屏幕中，触点和线圈断开（状态为0）以低亮线显示，触点和线圈闭合（状态为1）以暗线显示。2．系统梯形图的诊断画面按下图6-8中的“PMCDGN”键，就会显示图6-10所示的系统PMC诊断画面。第二十一页，共69页。6.2.6使用LADDER软件编辑数控机床梯形图1．新建梯形图程序2．存储卡格式PMC的转换

通过存储卡备份的PMC梯形图称之为存储卡格式的PMC（Memorycardformatfile）。由于其为机器语言格式，不能由计算机的LadderⅢ直接识别和读取并进行修改和编辑，所以必须进行格式转换。同样，当在计算机上编辑好的PMC程序也不能直接存储到M-CARD上，也必须通过格式转换，然后才能装载到CNC中。3、不同类型的PMC文件之间的转换第二十二页，共69页。6.3.1华中数控PLC的结构其中：X寄存器为机床输出到PMC的开关信号，最大可有128组(或称字节，下同)；Y寄存器为PMC输出到机床的开关信号，最大可有128组；R寄存器为PMC内部中间寄存器，共有768组；G寄存器为PMC输出到计算机数控系统的信号，最大可有256组；第二十三页，共69页。6.3.2华中数控PLC的软件结构及运行原理用户编写内置式PMC的C语言程序必须提供如下系统函数定义及系统变量值：externvoidinit(void); //初始化PLCexternunsignedplc1_time; //函数plc1()的运行周期，单位：毫秒externvoidplc1(void); //PLC程序入口1externunsignedplc2_time; //函数plc2()的运行周期，单位：毫秒externvoidplc2(void); //PLC程序入口2第二十四页，共69页。6.3.3华中数控PLC程序的编写及其编译华中数控

PLC程序的编译环境为：BorlandC++3.1+MSDOS6.22。数控系统约定PLC源程序后辍为“.CLD”，即“*.CLD”文件为PLC源程序。最简单的PLC程序只要包含系统必须的几个函数和变量定义即可编译运行，当然它什么事也不能做。第二十五页，共69页。6.3.4华中数控PLC程序的安装PLC源程序编译后，将产生一个DOS可执行.COM文件。要安装写好的PLC程序，必须更改华中数控系统的配置文件NCBIOS.CFG。在DOS环境下，进入数控软件所安装的目录，如C:\HNC-21，在DOS提示符下敲入如下命令：C:\HNC-21>editncbios.cfg<回车>可编辑数控系统配置文件。第二十六页，共69页。6.3.5车床标准PLC系统为了简化PLC源程序的编写，减轻工程人员的工作负担，华中数控开发了标准PLC系统。车床标准PLC系统主要包括PLC配置系统和标准PLC源程序两部分。其中，PLC配置系统可供工程人员进行修改，它采用的是友好的对话框填写模式，运行于DOS平台下，与其他高级操作系统兼容，可以方便、快捷地对PLC选项进行配置。配置完以后生成的头文件加上标准PLC源程序就可以编译成可执行的PLC执行文件了。1．在将数控系统上电，在如图6-21所示的主操作界面下，按F10键进入扩展功能子菜单。菜单条的显示如图6-22所示。第二十七页，共69页。2．在扩展功能子菜单下，按F1键，系统将弹出如图6-23所示的PLC子菜单；3．

在PLC子菜单下，按F2键，系统将弹出如图6-24所示的输入口令对话框，在口令对话框输入初始口令HOG，则弹出如图6-25所示的输入口令确认对话框，按Enter确认，便进入如图6-26所示的标准PLC配置系统；4．按F2键，便进入车床标准PLC系统（如图6-26所示）；第二十八页，共69页。5．Pgup、Pgdn为五大功能项相邻界面间的切换键同一功能界面中用Tab键切换输入点；用←、↑、→、↓键移动蓝色亮条选择要编辑的选项；按Enter键编辑当前选定的项；编辑过程中，按Enter键表示输入确认，按Esc键表示取消输入；无论输入点还是输出点，字母“H”表示为高电平有效，即为“1”，字母“L”表示低电平有效，即为“0”；在任何功能项界面下，都可按ESC键退出系统。6）在查看或设置完车床标准PLC系统后，按ESC键系统将弹出如图6-27和图6-28所示的系统提示，按Enter键确认后，系统将自动重新编译PLC程序并返回系统主菜单，新编译的PLC程序生效。第二十九页，共69页。6.4.1

PLC故障的表现形式当数控机床出现有关PLC方面的故障时，一般有三种表现形式：1)故障可通过CNC报警直接找到故障的原因。2）故障虽有CNC故障显示，但不能反映故障的真正原因3）故障没有任何提示。

对于后两种情况，可以利用数控系统的自诊断功能，根据PLC的梯形图和输入／输出状态信息来分析和判断故障的原因，这种方法是解决数控机床外围故障的基本方法第三十页，共69页。6.4.2

PLC控制模块的故障诊断方法与实例

一般来说，数控系统出现与PLC相关的故障时，PLC自身出现故障的机率很小，因为PLC本身有自诊断程序和必要的抗干扰措施，出现程序存储错误、硬件错误的时候都能报警，而且，数控机床生产厂家在数控机床投入使用之前已经经过了详细的安装调试，所以PLC相关部分出现故障的时候一般不用去考虑PLC本身的程序错误，这些故障大多是外围接口信号的故障，也就是说，PLC部分出现故障时要先从外部硬件元器件信号开始排查。第三十一页，共69页。[例6-1]

配备FANUC7数控系统的某数控机床，产生99号报警，该报警无任何说明。利用机床信息诊断，发现数据T6的第7位数据由“1”变“0”，该数据位为数控柜过热信号，正常时为“1”，过热时为“0”。处理方法：第三十二页，共69页。2．根据动作顺序诊断故障

数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作都是按照一定顺序来完成的，因此，观察机械装置的运动过程，比较正常和故障时的情况，就可发现疑点，诊断出故障的原因。第三十三页，共69页。[例6-2]

某立式加工中心自动换刀故障。故障现象：换刀臂平移到位时，无拔刀动作。ATC动作的起始状态是：①主轴保持要交换的旧刀具；②换刀臂在B位置；③换刀臂在上部位置；④刀库已将要交换的新刀具定位。

自动换刀的顺序为：换刀臂左移（B→A）→换刀臂下降（从刀库拔刀）→换刀臂右移（A→B)→换刀臂上升→换刀臂右移（B→C，抓住主轴中刀具），→主轴液压缸下降（松刀）→换刀臂下降（从主轴拔刀）→换刀臂旋转180°（两刀具交换位置）→换刀臂上升（装刀）→主轴液压缸上升（抓刀）→换刀臂左移（C→B）→刀库转动（找出旧刀具位置）→换刀臂左移（B→A，返回旧刀具给刀库）→换刀臂右移（A→B）→刀库转动（找下把刀具）。第三十四页，共69页。故障现象：当脚踏尾座开关使套筒顶尖顶紧工件时，系统产生报警。故障分析：第三十五页，共69页。[例6-4]

配备FANUC0TC系统的数控车床，产生刀架奇偶报警，奇数位刀能定位，而偶数位刀不能定位。从机床侧输入PLC信号中，刀架位置编码器有5根信号线，它们对应PLC的输入信号为X06.0、X06.1、X06.2、X06.3、和X06.4。在刀架的转换过程中，这5个信号根据刀架的变化而进行不同的组合，从而输出刀架的奇偶位置信号。根据故障现象分析，若刀架位置编码器最低位＃634线信号恒为“1”时，则刀架信号将恒为奇数，而无偶数信号，从而产生奇偶报警。根据上述分析，将PLC输入参数从CRT上调出观察，当刀架回转时，X06.0恒为“1”，而其余4根线的信号则根据刀架的变化情况或“0”或“1”，从而证实了刀架位置编码器发生故障。第三十六页，共69页。故障分析与检查：数控系统：日本MITSUBISHIMELDASL3系统。故障现象：这台车床一次出现故障，起动刀塔旋转时，刀塔不转，也没有报警显示。故障分析与检查第三十七页，共69页。3.通过PLC梯形图诊断故障

根据PLC的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法。用这种方法诊断机床故障首先应该搞清机床的工作原理、动作顺序和联锁关系，然后利用CNC系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据PLC梯形图查看相关的输入／输出及标志位的状态，从而确认故障的原因。第三十八页，共69页。[例6-6]配备SINUMERIK810数控系统的加工中心，出现分度工作台不分度的故障且无故障报警。根据工作原理，分度时首先将分度的齿条与齿轮啮合，这个动作是靠液压装置来完成的，由PLC输出Q1.4控制电磁阀YV14来执行，PLC梯形图如图6-31所示。通过数控系统的DIAGNOSIS中的“STATUSPLC”软键，实时查看Q1.4的状态，发现其状态为“0”，由PLC梯形图查看F123.0也为“0”，按梯形图逐个检查，发现F105.2为“0”。根据梯形图，查看STATUSPLC中的输入信号，发现I10.2为“0”，从而导致F105.2为“0”。I9.3、I9.4、I10.2和I10.3为四个接近开关的检测信号，以检测齿条和齿轮是否啮合。分度时，这四个接近开关都应有信号，即I9．3、I9.4、I10.2和I10.3应闭合，但发现I10．2未闭合。处理方法：①检查机械传动部分；②检查接近开关是否损坏第三十九页，共69页。[例6-7]某卧式加工中心出现回转工作台不旋转的故障。根据故障对象，用机外编程器调出有关回转工作台的梯形图。气动电磁阀YV12受PLC输出Ql.2的控制。19.7、110.6检测信号反映两个工位的分度头是否在起始位置。由于F97.0未闭合，电磁阀YV12不得电。继续观察PB20.9，发现F120．6未闭合，导致F97．0低电平向下检查PB20.7，F120.4未闭合引起。继续跟踪PB20.3，F120.3未闭合引起F120.4未闭合。向下检查FB20.2，由于F122.3没满足，导致F120.3未闭合。观察PB21.4，发现19.7、I10.6状态总是相反，故F122.3总是为“0”。故障诊断结论是：两个工位分度头不同步。处理方法：①检查两个工位分度头的机械装置是否错位；②检查检测开关19.7、110.6是否发生偏移。第四十页，共69页。6．动态跟踪梯形图诊断故障有些PLC发生故障时，查看输入／输出及标志状态均为正常，此时必须通过PLC动态跟踪，实时观察输入／输出及标志状态的瞬间变化，根据PLC的动作原理作出诊断。第四十一页，共69页。[例6-8]配备SINUMERIK810数控系统的双工位、双主轴数控机床。（如图6-32所示）故障现象：机床在AUTOMATIC方式下运行，工件在1工位加工完，2工位主轴还没有退到位且旋转工作台正要旋转时，2工位主轴停转，自动循环中断，并出现报警，且报警内容表示2工位主轴速度不正常。第四十二页，共69页。综上所述，PLC故障诊断的关键是：1)要了解数控机床各组成部分检测开关的安装位置，如加工中心的刀库、机械手，数控车床的旋转刀架和尾架，机床的气、液压系统中的限位开关、接近开关和压力开关等，弄清检测开关作为PLC输入信号的标志。2)了解执行机构的动作顺序，如液压缸、气缸的电磁换向阀等，弄清对应的PLC输出信号标志。3)了解各种条件标志，如起动、停止、夹紧和放松等标志信号，借助必要的诊断功能，必要时用编程器跟踪梯形图的动态变化，搞清故障的原因根据机床的工作原理做出诊断。要注意资料的保存，作好故障现象及诊断的记录为以后的故障诊断提供数据。以得到正确的诊断结果。第四十三页，共69页。第四十四页，共69页。图6-1内装型PLC的CNC统框图第四十五页，共69页。图6-2独立型PLC的CNC系统框图第四十六页，共69页。数控系统接收驱动负载电源公共端DI/DOGFXY*ESP，*DECx等保持型继电器Counter(C)Timer(T)Keeprelay(K)Datatable(D)Variabletable(D)中间继电器(R)图6-3FANUC系统信息交换图机床第四十七页，共69页。输出信号输入信号①②-1②-2②-3输入信号输出