《数控机床电气控制》课件第8章

第8章数控机床的可编程控制器8.1数控机床PLC

8.2FANUC指令系统

8.3PLC在数控机床控制中的应用

8.4PLC位置控制

思考与练习

8.1数控机床PLC8.1.1数控机床PLC的控制对象数控机床的控制可分为两大部分：一部分是坐标轴运动的位置控制；另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。在讨论PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系时，常把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”(即机床侧)两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件、与CNC系统连接的外部设备。“MT侧”包括机床机械部分和其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置以及机床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。PLC处于CNC和MT之间，对NC侧和MT侧的输入、

输出信号进行处理。

MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大差别。机床机构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。一般来说，最终受控对象的数量和顺序控制程序的复杂程度从低到高依次为CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC、FMS。

PLC在数控机床中有三种不同的配置方式。（1）PLC在机床一侧，代替了传统的继电器—接触器逻辑控制，PLC有m+n个I/O点，如图8－1(a)所示

。

（2）PLC在电气控制柜中，PLC有m个I／O点，如图8－1(b)所示。（3）PLC在电气控制柜中，而I／O接口在机床一侧，如图8－1(c)所示。这种配置方式使CNC与机床接口的电缆大为减少。

图

8-2所示为数控机床PLC的I／O信号示意图。

图8-1PLC在数控机床中的配置方式

图

8-2数控机床PLC的I／O信号

1．机床操作面板控制将操作面板上的控制信号直接送入数控系统的接口信号区，以控制数控系统的运行。其中，包括M、S、T功能。

(1)S功能处理。主轴转速可以用S二位代码或四位代码直接指定。在PLC中可容易地用四位代码直接指定转速。如某数控机床主轴的最高、最低转速分别为3150r／min和20r／min，CNC送出S四位代码至PLC，将二－十进制数转换为二进制数后送到限位器，当S代码大于3150时，限制S为3150，当S代码小于20时，限制S为20此数值送到D／A转换器，转换成20～3150r／min相对应的输出电压，作为转速指令控制主轴的转速。

(2)T功能处理。数控机床通过PLC可管理刀库，进行自动刀具交换。处理的信息包括刀库选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。

(3)M功能处理。M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换挡变速，主轴准停，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、

归刀等动作。

2．机床外部开关信号的控制

将机床侧的控制开关信号送入PLC经逻辑运算后输出给控制对象。这些控制开关包括按钮、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等。

3．输出信号控制

PLC输出的信号经继电器、接触器或液压、气动电磁阀对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还有冷却、

润滑和油泵电机等的控制。

4．伺服控制控制主轴、伺服进给及刀库驱动的使能信号，以满足伺服驱动的条件。

5．报警处理控制当出现故障时，PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动的故障信号，将报警标志区中的相应报警标志位置位，数控系统便显示报警号及报警文本以方便故障诊断。

8.1.2数控机床PLC的形式

1．内装型PLC内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT(机床侧)则通过CNCI／O接口电路实现信号传送，

如图8-3所示。

图

8-3内装型PLC的CNC系统

内装型PLC有以下特点：

(1)内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能，一般是作为一种基本的功能提供给用户的。

(2)内装型PLC的性能指标(如I／O点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等)是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的，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系统一起统一设计制造的。因此系统硬件和软件整体结构十分紧凑，PLC所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，

较适用于单台数控机床及加工中心等场合。

(3)在系统的结构上，内装型PLC可与CNC共用CPU，也可单独使用一个CPU；内装型PLC一般单独制成一块附加板，插装到CNC主板插座上，不单独配备I／O接口，而使用CNC系统本身的I／O接口；PLC控制部分及部分I／O电路所用电源(一般是输入口电源，而输出电源是另配的)由CNC装置提供，

不另备电源。

(4)采用内装型PLC结构时，CNC系统具有高级控制功能，如梯形图编辑和传送功能等。目前,世界上著名的CNC厂家在其生产的CNC系统中，大多开发了内装型PLC功能。常见的有FANUC公司的FS－0(PMC[CD*2]L／M)、FS－0Mate(PMC[CD*2]L／M)、FS－3(PC-D)、FS-6(PC-A、PC-B)、FS－10／11(PMC－I)、FS－15(PMC－N)；西门子公司的SINU－MERIK810／820；

A[CD*2]B公司的8200、

8400、

8500等。

2．独立型PLC

独立型PLC又称通用型PLC。独立型PLC独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。

采用独立型PLC的CNC系统框图如图8-4所示。

图

8-4独立型PLC的CNC系统

独立型PLC有以下特点：

(1)独立型PLC的基本功能结构与前所述的通用型PLC完全相同。

(2)数控机床应用的独立型PLC一般采用中型或大型PLC，I／O点数一般在200点以上，所以多采用积木式模块化结构，具有安装方便、功能易于扩展和变换等优点。

(3)独立型PLC的I／O点数可以通过I／O模块的增减灵活配置。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，以实现大范围的集中控制。8.1.3数控机床常用I/O元件

1．控制开关在数控机床的操作面板上，常见的控制开关有：（1）用于主轴、冷却、润滑及换刀等控制的按钮，这些按钮内部往往装有信号灯，一般绿色用于启动，红色用于停止。（2）用于程序保护，钥匙插入方可旋转操作的旋钮式可锁开关。（3）用于紧急停止，装有突出蘑菇形钮帽的红色紧停开关。（4）用于坐标轴选择、工作方式选择和倍率选择等，手动旋转操作的转换开关。（5）

在数控车床中，

用于控制卡盘夹紧、

放松，

尾座顶尖前进、

后退的脚踏开关等。

2．行程开关

行程开关在机床上主要用于坐标轴限位、

执行机构如液压缸、

气缸活塞的行程控制。

3．接近开关

接近是一种在一定的距离(几毫米至十几毫米)内检测物体有无的传感器。它给出的是高电平或低电平的开关信号，有的还具有较大的负载能力，可直接驱动继电器工作。接近开关具有灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、工作稳定可靠及使用寿命长等优点。许多接近开关将检测头与测量转换电路及信号处理电路做在一个壳体内，壳体上带有螺纹，以便安装和调整距离。同时在外部有指示灯，以指示传感器的通断状态。在数控机床中常用的接近开关有电感式、磁感应式、光电式及霍尔式等。图8-5电感式接近开关(a)外形图;(b)位置检测图

电感式接近开关内部大多由一个高频振荡器和一个整形放大器组成。振荡器振荡后，在开关的感应面上产生交变磁场，当金属物体接近感应面时，金属体产生涡流，吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以致停振。振荡和停振两种不同的状态由整形放大器转换成开关信号，从而达到检测位置的目的。在数控机床上，电感式接近开关常用于刀库、机械手及工作台的位置检测。磁感应式接近开关又称磁敏开关，主要对气缸内活塞位置进行非接触式检测。图8-6为用于气缸活塞控制的磁感应式接近开关示意图。

图

8-6磁感应式接近开关

气缸缸体多用非导磁的铝合金制成，磁感应式接近开关固定在缸体外部。当活塞移动到磁感应式接近开关部位时，固定在活塞上的永久磁铁(磁性环)由于其磁场的作用，使磁感应式接近开关振荡线圈中的电流发生变化，内部放大器将电流转换成输出开关信号，达到控制活塞行程的目的。根据气缸形式的不同，磁感应式接近开关有绑带式安装和支架式安装等类型。

4．继电器

在数控机床中，有各类指示灯、液压和气动系统中的电磁阀、伺服电动机的电磁制动器等为PLC输出开关量的控制。需要指出的是，内装式PLC的I/O采用24V直流电源，由于受到输出容量的限制，直流开关输出量信号一般用于机床强电箱中的中间继电器线圈和指示灯等，每个24V中间继电器的典型驱动电流为数10mA。在开关量输出电路中，当被控制的对象是电磁阀、电磁离合器等交流负载，或虽是直流负载，工作电压或电流超过PLC输出信号的最大允许值时，应首先注意，中间继电器线圈上要并联续流二极管，以便当线圈断电时，为感应电流提供放电回路，否则极易损坏驱动电路。图8-7所示为内装式PLC的输出控制。

图

8-7内装式PLC的输出控制

8.2FANUCPLC指令系统

8.2.1概述数控机床用FANUCPLC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-G和PMC-L等多种型号，它们分别适用于不同的FANUC数控系统，组成内装式的PLC。PLC编程使用惯用的继电器符号和简单的逻辑指令、功能指令来编制梯形图，其读／写存储器RAM主要用于存放随机变化的数据、表格等，接有锂电池能实现断电自保，输出负载能力一般小于5VA，最大可达25VA。FANUC

PLC的输入信号是来自机床侧的直流信号，规格为30V，16mA。直流输出信号有两类：在FANUC系列的PLC中，有基本指令和功能指令两种指令，型号不同时，只是功能指令的数目有所不同，除此以外，指令系统是完全一样的。在基本指令和功能指令执行中，用一个堆栈寄存器暂存逻辑操作的中间结果，堆栈寄存器有9位，如图8-8所示，按先进后出、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；相反地，“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。

图

8-8堆栈寄存器操作顺序

8.2.2基本指令

表

8-1基本指令和处理内容

基本指令格式如下：

××

0000.0指令操作码地址号位数操作数据

如RD100.6，其中，RD为操作指令码，100.6为操作数据，即指令操作对象。它实际上是PLC内部数据存储器某一个单元中的一位。100.6表示第100号存储单元中的第6位。RD100.6执行的结果，就是把100.6这一位的数据状态“1”或“0”读出并写入结果寄存器ST0中。图

8-9所示为梯形图的例子及用编程器向PLC输入的程序语句表。

图

8-9梯形图及语句表

值得说明的是，本例一部分是“块”操作形式。信号1.0、1.1是一组，1.4、1.5又是一组，每一组中的两信号是“与”操作，两组间又是“或”操作，组成一大块；信号1.2、1.3、

1.6、1.7又是类似的情况，组成另一大块，两大块之间再进行“与”操作。

8.2.3功能指令数控机床用的PLC指令必须满足数控机床信息处理和动作控制的特殊要求，例如,CNC输出的M、S、T二进制代码信号的译码(DEC)；机械运动状态或液压系统动作状态的延时(TMR)确认；加工零件的计数(CTR)；刀库、分度工作台沿最短路径旋转和现在位置至目标位置步数的计算(ROT)；换刀时数据检索(DSCH)和数据变址传送指令(XMOV)等。对于上述的译码、定时、计数、最短路径选择，以及比较、检索、转移、代码转换、四则运算、信息显示等控制功能，仅用一位操作的基本指令编程，实现起来将会十分困难，因此要增加一些具有专门控制功能的指令，这些专门指令就是功能指令。功能指令都是一些子程序，应用功能指令就是调用相应的子程序。FANUCPLC的功能指令数目视型号不同而有所不同，其中PMC-A、C、D为22条，PMC-B、G为23条，PMC-L为35条。表8-2所示为PMC-L功能指令和处理内容。

表8-2PMC-L功能指令和处理内容

表8-2PMC-L功能指令和处理内容

1．功能指令的格式功能指令不能使用继电器的符号，必须使用图8-10所示的格式符号。这种格式包括控制条件、指令标号、参数和输出几个部分。

图

8-10功能指令格式及语句表

(1)控制条件。控制条件的数量和意义随功能指令的不同而变化。控制条件存入堆栈寄存器中，其顺序是固定不变的。

(2)指令。功能指令的种类可见表8-2，指令有三种格式，格式1用于梯形图；格式2用于纸带穿孔和程序显示；格式3是用编程器输入程序时的简化指令。对于TMR和DEC指令在编程器上有其专用指令键，其他功能指令则用SUB键和其后的数字键输入。

(3)参数。功能指令不同于基本指令，可以处理各种数据，数据本身或存有数据的地址可作为功能指令的参数，参数的数量和含义随指令的不同而不同。

(4)输出。功能指令的执行情况可用一位“1”和“0”表示，把它输出到R1软继电器，R1软继电器的地址可随意确定，但有些功能指令不用R1

，如MOVE、COM、JMP等。

2．部分功能指令说明

1)顺序程序结束指令(END1、END2)

END1：高级顺序程序结束指令；END2：低级顺序程序结束指令。指令格式：

ENDi其中，i=1或2，

分别表示高级和低级顺序程序结束指令。

一般数控机床的PLC程序处理时间为几十毫秒至上百毫秒，对数控机床的绝大多数信息，这个处理速度已足够了。但对某些要求快速响应的信号，尤其是脉冲信号，这个处理速度就不够了。为适应对不同控制信号的不同响应速度的要求，PLC程序常分为高级程序和低级程序。PLC处理高级程序和低级程序是按“时间分割周期”分段进行的。在每个定时分割周期，高级程序都被执行一次，定时分割周期的剩余时间执行低级程序，故每个定时分割周期只执行低级程序的一部分。也就是说低级程序被分割成几等分，低级程序执行一次的时间是几倍的定时周期，

如图8-11所示。

图

8-11高级程序和低级程序

由上述可知，高级程序越长，每个定时周期能处理的低级程序量就越少，这就增加了低级程序的分割数，PLC处理程序的时间就拖得越长。因此，应尽量压缩高级程序的长度。通常只把窄脉冲信号以及必须传输到数控装置要求快速处理的信号编入高级程序，如紧急停止信号、外部减速信号、进给保持信号、倍率信号、删除信号等。END1在顺序程序中必须指定一次，其位置在高级顺序的末尾；当无高级顺序程序时，则在低级顺序程序的开头指定。

END2在低级顺序程序末尾指定。

2)定时器指令(TMR、TMRB)在数控机床梯形图编制中，定时器是不可缺少的指令，用于顺序程序中需要与时间建立逻辑关系的场合。功能相当于一种通常的定时继电器。（1）TMR定时器。TMR指令为设定时间可更改的定时器，指令格式及语句表如图8-12所示。

图

8-12TMR指令格式及语句表

定时器的工作原理是：当控制条件ACT=0时，定时继电器TM断开；当ACT=1，定时器开始计时，到达预定的时间后，定时继电器TM接通。定时器设定时间的更改可通过数控系统CRT／MDI在定时器数据地址中来设定，设定值用二进制数表示。例如有:

则4.5s的延时数据通过手动数据输入面板(MDI)在CRT上预先设定，由系统存入第203号数据存储单元。

TM01即1号定时继电器，

数据位为206.6。

TMR2034.5sTM01206.6定时器数据的设定以50ms为单位。将定时时间化为ms数再除以50，然后以二进制数写入选定的储存单元。本例定时4.5s，即用4500ms除以50得90，将90以二进制数表示为01011010，

存入203号数据存储单元，

该二进制数只占用16位的203号数据存储单元中的低8位。

（2）TMRB定时器。TMRB为设定时间固定的定时器。TMRB与TMR的区别在于，TMRB的设定时间编在梯形图中，在指令和定时器号的后面加上一项参数预设定时间，与顺序程序一起被写入EPROM，

所设定的时间不能用CRT／MDI改写。

3)译码指令(DEC)数控机床在执行加工程序中规定的M、S、T机能时，CNC装置以BCD代码形式输出M、S、T代码信号。这些信号需要经过译码才能从BCD状态转换成具有特定功能含义的一位逻辑状态。DEC功能指令的格式如图8-13所示。

图

8-13DEC功能指令的格式

译码信号地址是指CNC至PLC的二节字BCD码的信号地址，译码规格数据由译码值和译码位数两部分组成，其中译码值只能是两位数，例如,M30的译码值为30。译码位数的设定有三种情况：

01：译码地址中的两位BCD码，高位不译码，只译低位码。

10：高位译码，低位不译码

11：

两位BCD码均被译码

DEC指令的工作原理是:当控制条件ACT=0时，不译码，译码结果继电器R1断开；当控制条件ACT=1时，执行译码，当指定译码信号地址中的代码与译码规格数据相同时，输出R1=1，否则R1=0。译码输出R1的地址由设计人员确定。例如，

M30的译码梯形图及语句表，

如图8-14所示。

图8-14M30译码梯形图及语句表

4)旋转指令(ROT)旋转指令可以对刀库、回转工作台等实现选择最短途径的旋转方向；计算现在位置和目标位置之间的步数；计算目标前一个位置的位置数或达到目标前一个位置的步距数。

ROT功能的指令格式及语句表，

如图8-15所示

图

8-15ROT指令格式及语句表

旋转指令有6项控制条件：（1）指定起始位置数。RNO=0，旋转起始位置数为0；RNO=1，旋转起始位置数为1。（2）指定处理数据(位置数据)的位数。BYT=0，指定2位BCD码；BYT=1，指定4位BCD码。（3）

选择最短路径的旋转方向。DIR=0，不选择，按正向旋转；

DIR=1，选择。

（4）指定计算条件。POS=0，计算现在位置与目标位置之间的步距数；POS=1，计算目标前一个位置数或计算到达目标前一个位置的步距数。（5）指定位置数或步距数。INC=0，指定计算位置数；INC=1，指定计算步距数。（6）执行命令。ACT=0，不执行ROT指令，R1变化；ACT=1，执行ROT指令，并有旋转方向输出。旋转方向输出：当选择最短路径时有方向控制信号，该信号输出到R1。当R1=0时，旋转方向为正(正转)；当R1=1时，旋转方向为负(反转)。若位置数是递增的,则为正转，反之，若位置数是递减的，

则为反转。

R1地址可以任意选择。

5)数据检查指令(DSCH)数据检查指令可对表格数据进行检索，常用于刀具T代码的检索。DSCH功能的指令格式及语句表如图8-16所示。

图

8-16DSCH功能的指令格式及语句表

数据检查指令有3项控制条件：（1）指定处理数据的位数。BTY=0，指定2位BCD码；BTY=1，指定4位BCD码。（2）复位信号。RST=0，R1不复位；RST=1，R1复位。（3）执行命令。ACT=0，不执行DSCH指令，R1不变化；ACT=1，执行DSCH指令，数据检索到时，

R1=1；

反之，

R1=0。

6)符合检查指令(CDIN)符合检查指令用来检查参考值与比较值是否一致，可用于检查刀库、转台等旋转体是否到达目标位置等。功能指令格式如图8-17所示。

图

8-17COIN功能指令

控制条件说明：（1）指定数据位数。BYT=0，处理数据为2位BCD码；BYT=1，处理数据为4位BCD码。（2）指定参考值格式。DAT=0，参考值用常数指定；DAT=1，指定存放参考值的数据地址。（3）执行命令。ACT=0，不执行；ACT=1，执行COIN指令。

（4）

比较结果。R1=0，

参考值=比较值。

7)计数器指令(CTR)图

8-18CRT指令格式

指令格式说明：（1）指定初始值。CNO=0，初始值为0，CNO=1，初始值为1。（2）指定加或减计数器。UPDOWN=0，做加法计数器；UPDOWN=1，做减法计数器。

8)逻辑“与”后传输指令(MOVE)逻辑“与”后传输指令的作用是把比较数据(梯形图中写入的)和处理数据(数据地址中存放的)进行逻辑“与”运算，并将结果传输到指定地址。也可用于将指定地址里的8位信号不需要的位消除掉。

指令格式如图8-19所示。

图

8-19指令格式

当ACT=0时，

MOVE指令不执行；

当ACT=1时，MOVE指令执行。

图

8-20数据传输梯形图

图中，设处理数据地址0151中的数据为BCD码00000110(06)，参数1的高4位比较数据为1111，参数2的低4位比较数据为1111，由于参数1和2为全“1”，经与0151地址内的数据00000110相“与”后，

其值不变，

照原样传送到0164地址中。

8.2.4FANUCPLC梯形图编制的一般规则梯形图是设计、维修等技术人员经常使用的技术文件。其编制应尽可能简单、明了，并应尽量有一种规范化的约定，通常规定如下：（1)I／O信号及继电器等的名称和记号应易懂、确切，名称长度不超过8个字符，第1个字符用字母P代表正，B代表“非”，N代表负。如B.SP是用于自动操作的停止信号。（2）

梯形图中的继电器，

一般按其作用来给定符号，

且字母要大写。

（3）当出现PLC机床侧I／O信号的名称与CNC设备连接手册中I／O名称相同的情况时，应在机床侧的信号名称之后加“M”，以便与CNC信号相区别。为区分CNC侧与机床侧信号，

在画梯形图时常采用表8-3所示的图形符号。

表8-3梯形图中的符号

1．编程器编程器可用于程序的输入、编辑、修改、校验及调试。编程器有三个插座，一个插座是与PLC的接口，通过连接电缆将编程器与PLC的RAM存储器相连接，编程器中的程序可传送到PLC的RAM中，在试验(TEST)方式下进行对程序的调试修改、校验等工作，程序调试完毕，编程器即可与PLC脱离；另一个插座是外部设备接口(EXT)，经此接口，编程器可与外部设备相连接，如接上FACIT4070穿孔机即可将程序输出制成穿孔纸带，若接上ASR33电传打字机，则能将程序打印成文本保存；第三个插座为EPROM插座，可插入2716或2732EPROM，当程序调试无误后，可将相应的EPROM插入插座，将程序写入EPROM，

再将写好的EPROM插入PLC中。

图8-21ＰＬＣ程序编制流程图

2．PLC纸带

将程序穿孔纸带通过ASR33电传打字机的纸带阅读机送入PLC，并同时打印输出硬拷贝，也可用CNC侧纸带阅读机读入。

3．EPROM

用已写入程序的EPROM插入编程器的EPROM插座，

应用编程器的输入键将程序写入PLC。

8.3PLC在数控机床控制中的应用8.3.1主轴定向控制加工中心在进行加工时，自动交换刀具或精镗孔时要用到主轴定向功能，其控制梯形图如图8-22所示。图中，M06是换刀指令，M19是主轴定向指令，这两个信号并联作为主轴定向控制的主令信号；AUTO为自动工作状态信号，手动时AUTO为“0”，自动时为“1”；RST为CNC系统的复位信号；ORCM为主轴定向继电器，其触点输出到机床以控制主轴定向；ORAR为从机床侧输入的“定向到位”信号。图8-22主轴定向控制梯形图

为了检测主轴定向是否在规定时间内完成，这里应用了功能指令TMR进行定时操作。整定时限为4.5s，如在4.5s内不能完成定向控制，将发出报警信号，R1即为报警继电器。8.3.2主轴正、反转及齿轮换挡控制图8-23轴换挡结构简图图8-24主轴换挡控制梯形图图8-24中各信号含义如下：

HS.M手动操作开关

AS.M自动操作开关

CW.M主轴正转按钮

CCW.M主轴反转按钮

OFF.M主轴停转按钮

SPLGEAR齿轮低速换挡到位行程开关

SPHGEAR齿轮高速换挡到位行程开关

LGEAR手动低速换挡操作开关

HGEAR手动高速换挡操作开关程序中应用了译码和延时两个功能指令，所涉及到的M功能是：

M03主轴正转

M04主轴反转

M05主轴停转

M41主轴齿轮换低速挡

M42主轴齿轮换高速挡由梯形图控制可知，若在预定时间内齿轮换挡不成功，则通过时间继电器TM01常开触点的延时闭合，发出主轴换挡错误信号SPERR。在主轴正、反转控制和高、低速换挡控制梯形图中，都有逻辑互锁关系，以免造成控制功能切换时发生故障。在执行电路中，主轴正、反转接触器电路中还要加上相应的互锁环节，以提高互锁的可靠性。8.3.3刀库自动选刀控制

1.刀套编码方式刀套编码方式是对刀库中的刀套进行编码，并将与刀套编码相对应的刀具一一放入指定的刀套中，然后根据刀套的编码选取刀具。图8-25所示为采用刀套编码的选刀控制。图中，如采用与刀库同时旋转的绝对值编码器，则01～12刀套编号对应的BCD码为0000～1100，1～12为刀具编号，刀具编号与刀套编号一一对应。当执行M06T04指令时，首先将刀套7转至换刀位置，由换刀装置将主轴中的7号刀装入7号刀套内，随后刀库反转，使4号刀套转至换刀位置，由换刀装置将4号刀装入主轴内。由此可以看出，刀套编码方式的特点是只认刀套不认刀具，刀具在自动交换过程中必须将用过的刀具放回原来的刀套内。当刀库选刀采用刀套编码方式控制时，要防止把刀具放入与编码不符的刀套内而引起的事故。图8-25刀套编码选刀控制

2.随机换刀在随机换刀方式中，刀库上的刀具能与主轴中的刀具任意地直接交换。随机换刀控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的容量和刀具号相对应。如图8-26所示为随机换刀方式刀库，表8-4为刀号数据表。图8-26随机换刀刀库表8-4刀号数据表现根据图8-26和表8-4，执行M06T14换刀指令。换刀结果是刀库中的T14刀装入主轴，主轴中原T12刀插入刀库6号刀套内。控制梯形图如图8-27所示。图8-27随机换刀控制梯形图图中，换刀位置(刀库现在位置)的地址为0164，在COIN功能指令中作为比较值地址，该地址内的数据为在换刀位置的刀套号(数据表序号)，其值由外部计数装置根据刀库旋转方向进行加1或减1计数。图中所示的当前刀套号为5，该值以BCD码的形式(00000101)存入0164地址中。在DSCH功能指令中，参数1为数据表容量，本例刀库共有9把刀，建立的刀号数据表有9个数，故本参数设定值为0009；参数2为数据表的头部地址，根据表8-4，本参数为0172；参数3为检索数据地址，其作用就是将T指令中的14号刀从数据表中检索出来，并将14号刀以2位BCD码的形式(00010100)存入0117地址单元中，故本参数为0117；参数4为检索结果输出地址，其作用就是将14号刀所在数据表中的序号6以2位BCD码的形式(00000101)存入到0151地址单元中，故本参数为0151。

上电后，常闭触点A(128.1)断开，故DSCH功能指令按2位BCD码处理检索数据。当CNC读到T14指令代码信号时，将此信息送入PLC。TF(114.3)闭合，开始T代码检索，将14号刀号存入0117地址，数据表序号6存入0151，同时TEER(128.2)置“1”。在COIN功能指令中，由控制条件可知，参数1和参数2分别为参考值地址0151和比较值地址0164，并按2位BCD形式进行处理，其中0151存放的是指令刀号14，而0164存放的是当前刀套数据表序号6。当TERR由DSCH指令置“1”后，COIN指令即开始执行。因地址0151与0164内数据不一致，则输出TCOIN(128.3)为“0”，作为刀库旋转ROT功能指令的启动条件。在ROT功能指令中，计算刀套的目标位置与现在位置之间相差的步数或位置号，并把它置入计算结果地址，可以实现最短路径将刀库旋转至预期位置。参数1为旋转检索数，即旋转定位点数，对本例，该参数为8；参数2为现在位置的地址，因当前刀套号5存在0164地址内，故参数2为0164；参数3为目标位置地址，因指令要求T14号刀具的刀套号6存在0151地址内，故参数3为0151；参数4为计算结果输出地址，本例选定为0152。当刀具判别指令执行后，TCOIN(128.3)输出为“0”，其常闭触点闭合，TF(114．3)此时仍为“1”，故ROT指令开始执行。根据ROT控制条件的设定，计算出刀库现在位置与目标位置相差步数为“1”，将此数据存入0152地址，并选择出最短旋转路径，使REV(128.4)置“0”，正向旋转方向输出。通过CW.M正向旋转继电器，驱动刀库正向旋转一步，即找到了6号刀位。在本梯形图中，MOVE功能指令的作用是修改换刀位置的刀套号。换刀前的刀套号5已由换刀后的刀套号6替代，故必须将地址0151内的数据照全样传输到0164地址中，因此MOVE指令中的参数1(高4位)、参数2(低4位)均采用全“1”，经与0151地址内数据6(BCD码00000110)相“与”后，其值不变，照原样传送到0164地址中。当刀库正转一步到位后，ROT指令执行完毕。此时T功能完成信号TFIN(128.5)的常开触点使MOVE指令开始执行，完成数据传送任务。下一扫描周期，COIN判别执行结果，当两者相等时，使TCOIN置“1”，切断ROT指令和CW.M控制，刀库不再旋转，同时给出TFIN信号，报告T功能已完成，可以执行M06换刀指令。当M06执行后，必须对刀号及数据表进行修改，即序号0的内容改为刀具号14，序号6的内容改为刀具号12。8.3.4润滑系统自动控制图8-28为某数控机床润滑系统的电气控制原理图，图8-29为该润滑系统控制流程图，图8-30为该润滑系统PLC控制梯形图。图8-28润滑系统的电气控制原理图(a)I／O开关；(b)中间电路；(c)强电电路图8-30润滑系统的PLC控制梯形图

(1)润滑系统正常工作时的控制程序。按运转准备按钮SB8，23N行X17.7为1，使输出信号Y86.6接通中间继电器KA4线圈，KA4触点又接通接触器KM4，使润滑电动机M4启动运行，23P行的Y86.6触点自锁。当Y86.6为1时，24A行Y86.6触点闭合，TM17号定时器(R613.0)开始计时，设定时间为15s(通过MDI面板设定)，到达时间后，TM17为1，23P行的R613.0触点断开，Y86.6为0，润滑电动机停止运行。同时也使24D行输出R600.2为1并自锁。

24F行的R600.2为1，使TM18定时器开始计时，计时时间设定为25min，到达时间后，输出信号R613.1为1，使24G行的R613.1触点闭合，Y86.6输出并自锁，润滑电动机M4重新启动运行，重复上述控制过程。

(2)润滑系统出现故障时的监控。①当润滑油路出现泄漏或压力开关SP2失灵的情况时，M4已运行15s，但压力开关SP2未闭合，24B行的X4.5触点未打开，R600.3为1并自锁，一方面使241行R616.7输出为1，使23N行616.7触点打开，断开润滑电动机；另一方面24M行616.7触点闭合，使Y48.0输出为1，接通报警指示灯(发光二极管HL1亮)，并通过TM02、TM03定时器控制，使信号报警灯闪烁。②当润滑油路出现堵塞或压力开关失灵的情况时，在M4已停止运行25min后压力开关SP2未关闭，则24G行的X4.5闭合，R600.4输出为1，同样使241行的R616.7输出为1，结果与第一种情况相同，使润滑电动机不再启动，并报警。③如果润滑油不足，液位开关SL闭合，24J行的X4.6闭合，同样使R616.7为1，断开M4并报警。④润滑电动机M4过载，自动开关QF4断开M4的主电路，同时QF4的辅助触点合上，使24I行的X2.5合上，同样使R616.7为1，断开M4的控制电路并同时报警。通过24P、25A、25B、25C行，将四种报警状态传输到R652地址中的高四位中，即R652.7、R652.6、R652.5和R652.4位。通过CRT／MDI检查诊断地址DGNNO652的对应位状态，如哪一位为“1”，即是哪一项的故障，从而确认报警时的故障原因。8.3.5零件加工计数控制图8-31零件加工计数控制梯形图该梯形图用到了2条功能指令，一条是译码指令DEC；另一条是计数器指令CTR。数控机床的M和T代码用译码指令来识别，译码指令DEC译2位BCD码，当2位数字的BCD码信号等于一个确定的指令数值时，输出为“1”；否则为“0”。图8-31中，DEC指令的参数1为译码地址0115，参数2的译码指令3011，软继电器M30(150.1)即为译码输出。在数控加工中，每当零件加工程序执行到结束时，程序中出现M30代码，经译码输出，M30为“1”，以此作为CTR计数脉冲，即可实现零件加工计数。在CTR功能指令中，参数为计数器号，也就是一个16位的存储器地址单元，最大预置数为9999。零件加工件数的预期值可通过手动数据输入(MDI)面板设置。控制条件200.1为常闭触点,表示计数器初始值为0及计数器作加法计数，为满足这一控制条件，在梯形图顶部首先设置了L1作为逻辑“1”电路。同时，M30常开触点作为CTR的计数脉冲，当计数到预置值时，R1输出“1”，图中，R1常闭触点与M30常开触点串联，一旦计数到位，即可断开计数操作。8.4PLC位置控制

8.4.1适用点位控制的脉冲输出单元F2-30GM

F2-30GM是一种为F1、F2和FX系列PLC配套的位置控制单元。其输出的脉冲序列不论是脉冲数还是脉冲频率都是可编程的，可驱动步进电动机，作为开环点位控制，也可驱动伺服电动机实现闭环点位控制。F2-30GM可以作为一种独立的控制装置使用，也可以用作F1、F2和FX系列PLC的智能扩展单元，进行1～3个轴的定位控制。图8-32所示为F2-30GM位置控制系统框图。

图

8-32F2-30GM位置控制系统框图

F2-30GM作为智能化定位控制器按用户编制的定位程序，向驱动器发出定位脉冲、运行方向等信号。驱动器按这些控制信号驱动电动机带动丝杠进行定位。对于步进电动机，只有零位信号反馈给F2-30GM；对于伺服电动机，则有伺服准备、伺服结束和零位三个信号反馈。

F2-30GM除了定位控制指令之外还有许多逻辑控制和顺序控制指令，所以对一些不太复杂的，既要求定位控制又要求逻辑控制的应用，用一台F2-30GM就可以独立完成；对于多轴或较复杂的控制，F2-30GM又可通过PLC进行M代码交换，由PLC指定程序段号、传送定位及速度等数据，并能在PLC中监视F2-30GM的运行或停止状态，成为PLC系统中的定位智能控制环节。F2-30GM可通过用户初始化参数来确定最大速度、最小速度、爬行速度、回零速度、齿隙补偿量、脉冲输出方式、正逻辑、反逻辑等变量，以适应各种不同的运行及使用条件。F2-30GM允许由程序确定运动参数，也可以用数字开关输入运动参数，还可以在运行过程中由PLC改变运动参数。

8.4.2A系列PLC位置控制功能模块AD71、AD72

AD71、AD72是适用于大型可编程控制器A系列的位置控制智能模块。它们都是带线性插补功能的二轴定位模块，如图8-33所示为AD72定位模块位置控制框图。

图

8-33AD72定位模块位置控制框图

AD71、AD72能将定位条件、定位速度、暂停时间和定位地址等数据分别存在模块缓冲存储器的各个数据区，模块中的CPU解读这些设定数据，并转换成相应的定位控制信号发送给驱动器。模块内部生成的命令脉冲与反馈脉冲的差值由偏差计数器计数，再由D／A转换器将此计数值变换为模拟电压作为速度命令，使伺服电动机旋转。伺服电动机上的脉冲编码器PG产生的脉冲一方面反馈给驱动单元作为速度控制，另一方面经接口反馈给定位模块作为位置控制。

AD71与AD72的区别主要在于：

(1)输出形式不同。AD71为脉冲序列输出，AD72则是模拟电压输出。AD71与步进电动机驱动模块联用时，可直接驱动步进电动机。

(2)由于AD71为脉冲序列输出，因此AD71没有偏差计数器和D／A转换这两个环节，与AD71相配的伺服电动机驱动器必须包括偏差计数器和D／A转换等功能。而与AD72相配的伺服电动机驱动器则只要能接受模拟电压即可(AD72的最大输出电压为3～10V)。

8.4.3实现运动和顺序控制一体化的A73CPU模块

A73CPU模块采用了将可编程控制器与伺服控制相结合在一起的设计思想，它本身是A系列可编程控制器中一种专门用于位置控制的模块。A73CPU有40多种用于伺服控制的指令，如指定半径的圆弧插补指令、指定圆心的圆弧插补指令、直线插补指令等，最多可独立控制8根轴。A73CPU将位置命令信号通过专用的数字SB总线，送到挂在该总线上的三菱MR-SB系列全数字伺服驱动装置中去，也可通过通用