数控机床用可编程控制器

第五章数控机床用可编程控制器白城师范学院机械电子工程系李德俭副教授目录第一节

概述第二节

数控机床用PLC第一节概述一、数控机床上的两类控制信息一类是控制机床进给运动坐标轴的位置信息，如数控机床工作台的前、后、左、右移动；主轴箱的上、下移动和围绕某一直线轴的旋转运动位移量等。对于数控车床是控制Z轴和X轴的移动量；对于三坐标数控机床是控制X、Y、Z轴的移动距离；同时还有各轴运动之间的关系，插补、补偿的控制。从而保证实现加工零件的轮廓轨迹。这类数字量信息是由CNC系统进行处理的，即“数字控制”。白城师范学院机电系机自教研室3另一类是数控机床运动过程中，以CNC系统内部和机床上各行程开关、传感器、按钮、继电器等的开关量信号的状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴的开停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行进行控制。这一类控制信息主要是开关量信号的顺序控制，一般由可编程逻辑控制器PLC（Programmanlelogiccontroller)来完成。数控机床是通过计算机将第一类数字量信息和第二类开关量信息很好协调起来，实现正常的运转和工作。白城师范学院机电系机自教研室4二、可编程控制器及其工作原理1.PLC的基本概念及性能指标定义：PLC是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。它的实质就是一种工业控制用的专用计算机。功能：具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制，数/模转换、算术运算及数据处理、通信联网和生产过程监控等。组成：由硬件系统和软件系统所组成。

白城师范学院机电系机自教研室5白城师范学院机电系机自教研室6接收现场信号输入部件外设接口扩展接口输出部件电源运算器控制器微处理器RAM用户程序EPROM系统程序盒式磁带机驱动受控元件I/O扩展单元存储器打印机EPROM写入器PLC或上位计算机编程器通用型PLC的硬件结构框图⑴硬件系统中央处理单元（CPU）是系统的核心，通常可直接使用通用微处理器来实现，它通过输入部件将现场信息采入，并按用户程序规定的逻辑进行处理，然后将结果输出出去，用来控制外部设备。

存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作数据。

系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序，它包括监控程序、模块化应用功能子程序、指令解释程序、故障自诊断程序和各种管理程序等，并且在出厂时由制造厂家固化在PROM（可编程存储器，用户一次性写入，一经写入就不能更改）中。

用户程序是指用户根据工程现场的生产过程和工艺要求而编写的应用程序，在修改调试完成后可由用户固化在EPROM（光可擦除可编程存储器，可通过专用设备，多次反复使用）中或存储在磁带、磁盘中。

工作数据是PLC运行过程中需要经常存取，并会随时改变的一些中间数据，为了适应随机存取的要求，它们一般存放在RAM（随机存储器）中。

电源单元的作用是将外部提供的交流电转换为PLC的内部所需要的直流电源。要求它具有较好的电磁兼容性能，工作稳定，并且有过电流过电压保护功能。

编程器是用来开发、调试、运行应用程序的特殊工具，一般由键盘、显示屏、智能处理器、外部设备（如硬盘/软盘驱动器等）组成，通过通信接口与PLC相连。▲

▲⑵软件系统PLC基本软件包括系统软件和用户应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言编译系统和各种功能软件等。其中操作系统管理PLC的各种资源，协调系统各部分之间、系统与用户之间的关系，为用户应用软件提供了一系列管理手段，以使用户应用程序能正确地进入系统，正常工作。用户应用软件是用户根据电气控制线路图采用梯形图语言编写的逻辑处理软件。白城师范学院机电系机自教研室7PLC的特点：⑴可靠性高⑵编程简单，使用方便⑶灵活性好⑷直接驱动负载能力强⑸便于实现机电一体化⑹网络通信白城师范学院机电系机自教研室8由于PLC是针对恶劣的工业环境而设计的，所以在其硬件和软件方面都采取了很多有效措施来提高它的可靠性。

由于PLC沿用了梯形图编程简单的优点，对于从事继电器控制工作的技术人员，都能在很短的时间内学会。

由于PLC是利用软件来处理各种逻辑关系，当在现场装配和调试过程中需要改变控制逻辑时就不必改变外部线路，只要改写程序重新固化即可。另外，产品也易于系列化、通用化，稍作修改就可应用于不同的控制对象。

由于PLC输出模块中大多采用了大功率晶体管和控制继电器的形式进行输出，因而具有较强的驱动能力，一般都能直接驱动执行电器的线圈、接通或断开强电线路。

由于PLC结构紧凑、体积小、质量小、功耗低和效率高，所以很容易将其装入控制柜内，实现机电一体化。

利用其通信功能可实现计算机网络控制。

▲数控机床PLC的形式按规模分类：小型：输入/输出的点数<128点；中型：128点<输入/输出的点数<512点；大型：输入/输出的点数>512点按结构形式分类：内装型（Built-inType）PLC（或称集成式、内含式）。它是为数控设备顺序控制而设计制造的、从属于CNC系统的专用PLC。独立型（Stand-aloneType）PLC，或称为“通用型”PLC它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。白城师范学院机电系机自教研室9PLC的规模及其应用程序存储器容量应用范围小型小于128点1KB以下数控铣床、数控车床、加工中心、机器人等单机数控设备128点~512点1~4KB大型数控设备、FMC、FMS、CIMS等则需要采用中、大型规模的可编程控制器512点以上4KB以上白城师范学院机电系机自教研室10PLC

规模评价指标中型大型输入/输出的点数一、数控机床PLC的控制对象位置控制和顺序控制白城师范学院机电系机自教研室11CNC系统数控装置可编程控制器操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑......数控装置、可编程控制器、机床之间的关系图第二节数控机床用PLCPLC在数控机床中有三种不同的配置方式白城师范学院机电系机自教研室12第二种采用内装PLC。此时PLC仅有M根输入输出连线控制机床，而PLC与数控系统之间的信息交换在数控系统内部完成，因此连线少，易于维修，成本也较低。

第一种PLC安装在机床侧，用于完成传统继电器的逻辑控制，PLC与数控系统之间通过I／O点连线对接交换信息，PLC通过I／O点再控制机床的逻辑动作。在这种配置中，PLC可选用任意一种型号的产品，可选择余地大。此时PLC需N+M根连线，因此连线复杂。第三种独立型PLC安装在靠近CNC处（或使用内置PLC），但将PLC的I／O模块安装在机床侧，PLC与I／O模块之间使用远程I／O通信线连接（通常PLC均有远程I/O模块）。这种配置特别适用于重型、大型机床，可使用多个远程I／O模块，各远程I／O模块安装在靠近各自的控制对象处，从而减少和缩短了连线，简化了强电结构，提高了系统的可靠性。▲▲①内装型PLC此类是CNC系统的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型PLC。内装型PLC是CNC装置的一部分，它与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行的。这种类型的PLC一般不能独立工作，它是CNC装置的一个功能模块，是CNC装置功能的扩展，两者是不能分离的。白城师范学院机电系机自教研室13在硬件上，内装型PLC既可与CNC装置共用一个CPU，如西门子的SINUMERIK810、820等数控系统；也可以是单独的CPU，如FANUC的0系统和15系统、美国A-B公司的8400系统和8600系统等。由于CNC装置的功能和PLC的功能在设计时就统一考虑，因而这种类型的PLC在硬件和软件的整体结构上合理、实用，性能价格比高，适用于类型变化不大的数控机床。由于PLC与CNC之间的连线较少，且PLC内的信息也能通过CNC装置的显示器显示，使PLC的编程更为方便，而且故障诊断的功能也有提高，从而提高了CNC系统的可靠性。白城师范学院机电系机自教研室14白城师范学院机电系机自教研室15

NCPLCI/O电路伺服驱动单元主轴驱动单元

强电电路

机床操作面板MDI/CR面板进给电动机主轴电动机

辅助动作换刀冷却排屑CNC装置内装型PLC结构框图②独立型PLC此类是由专业化生产厂家生产的PLC产品来实现顺序控制，称为独立型PLC，或称为“通用型”PLC。独立型PLC是独立于CNC装置的，它具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务。在数控机床选用独立型PLC时，主要考虑能满足以下要求：输入/输出信号接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等。白城师范学院机电系机自教研室16由于这种类型PLC的生产厂家较多，品种、类型丰富，使用户有较大的选择余地，可以选择自己熟悉的产品，而且其功能的扩展也较方便。独立型PLC与CNC装置之间是通过输入/输出接口连接的。国内已引进应用的独立型PLC有：西门子公司的SIMATICS5、S7系列产品；A-B公司的PLC系列产品；FANUC公司的PMC-J系列产品等。白城师范学院机电系机自教研室17白城师范学院机电系机自教研室18

NCPLC伺服驱动单元主轴驱动单元

强电电路机床操作面板MDI/CRT面板伺服电动机主轴电动机

辅助动作换刀冷却排屑I/O电路I/O电路I/O电路PLC装置独立型PLC结构框图PLC

程序执行过程图白城师范学院机电系机自教研室19输入端器件输入映象元件映象寄存输出锁存输出端器件输入输出输入采样阶段输出刷新阶段程序执行阶段二、

PLC的工作过程PLC

、CNC、机床间的信息交换：PLC

CNC的信号：主要有机床各坐标基准点