畢業(yè)論文PLC在數(shù)控機床中的應用

1、 plc在數(shù)控機床中的應用 摘要： plc是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的幾處上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機。論文主要介紹了plc的工作原理、結構、工作過程、分類、編程方法、對數(shù)控機床個方面的控制以及應用范圍，從數(shù)控機床主軸正反轉(zhuǎn)、主軸變頻等方面闡述了plc對數(shù)控機床的重要作用。關鍵詞 ： 工作原理，分類，編程方法 一、目 錄一 前言 . 4 二 plc的工作原理及結構 4 三 plc的特點及程序編制 6 四 數(shù)控機床的plc功能 . 7 五 plc控制數(shù)控機床的典型實例及故障分析. 9六 參考文獻. 14七 結束

2、語. 15前言 plc是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的幾處上發(fā)展起來的新型控制器它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電器操作維護人員的技能和習慣，摒棄了微機常用的計算機編程語言的表達形式，獨具風格的形成一套一件電器為基礎的形象編程語言和模塊化的軟件結構，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學、調(diào)試和查錯都很容易。plc現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一，以其可靠性高、邏輯功能強、體積小、可在線修改控制程序、具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機接口、能對模擬量進行控制，具備高速技術與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代有大

3、量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電-接觸控制系統(tǒng)，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，在航天、航空、機械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、交通、技術監(jiān)督與測試等行業(yè)得到廣泛應用,而且也正逐步引入人們的日常生活中去?？梢哉f，測試技術與自動控制水平的高低是衡量一個國家科學技術現(xiàn)代化程度的重要標志。二、plc的工作原理、工作過程及分類1：plc的基本工作原理 與普通微機類似，plc也是由硬件和軟件兩大部分組成的。在軟件的控制下，plc才能正常的工作。軟件分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。2：plc的工作過程：plc接通電源，cpu進行輸入點的狀態(tài)采集，讀入各輸入點的狀態(tài)，用戶程序的邏輯解算、相

4、應輸出狀態(tài)的更新和i/o執(zhí)行。接入編程器時，也對編程器的輸入響應，并更新顯示。然后cpu對自身的硬件進行快速自檢，并對監(jiān)視掃描用定時器進行復位。并在完成自檢后，又重新開始掃描運行。周而復始。 輸入輸出狀態(tài)采集 解算梯形圖 掃描i/o口，輸出狀態(tài)更新 掃描編程器 更新顯示強行i/o操作輸 入 端 器 件輸 入 映 象元 件 映 象 寄 存輸 出 鎖 存輸 入 端 器 件輸 入輸 出輸入采樣階段輸出刷新階段程序執(zhí)行階段plc的基本結構plc的型號、規(guī)格繁多，下圖僅示出了它的基本結構框圖。它主要由中央處理單元cpu、存儲器、輸入、輸出等部分組成輸入信號 現(xiàn)場輸入信號存儲 器cpu接 口輸出狀態(tài)寄存器

5、、輸出信號現(xiàn)場執(zhí)行元件輸入狀態(tài)寄存器 外部設備（編程器等）plc的結構包括硬件和軟件兩大部分。plc 的硬件原理框圖cpueeprom用戶程序eprom系統(tǒng)軟件總 線ram編程器電 源輸入輸出模塊功能開關和指示器電 池在硬件和控制對象之間有三環(huán)：第一個環(huán)：是操作系統(tǒng)，用它來管理plc的硬件資源；第二個環(huán)：是編譯系統(tǒng)，這兩 個環(huán)構成了的plc軟件系統(tǒng)。第三個環(huán)：是實現(xiàn)用戶要求的應用程序。3：plc的分類 評價指標plc規(guī)模輸入/輸出的點數(shù)程序存儲器容量應用范圍小 型小于128點1kb以下數(shù)控銑床、數(shù)控車床、加工中心、機器人等單機數(shù)控設備，中 型128點 512點1 4kb大型數(shù)控設備、fmc、f

6、ms、cims等則需要采用中、大型規(guī)模的可編程控制器。大 型512點以上4kb以上三、plc在數(shù)控系統(tǒng)中的應用數(shù) 控 裝 置可編程控制器操作面板主軸控制輔助動作換刀動作冷卻排屑.plc的特點優(yōu)于輸入/輸出模塊濾波器的時間常數(shù)，以及執(zhí)行時要按工作周期順序進行等原因，會使輸入/輸出響應出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，對一般工業(yè)控制設備來說，這種滯后現(xiàn)象是允許的，但地某些設備的某些信號要做出快速響應。通常的做法是：將順序程序分為快速響應的高優(yōu)先級程序和一般響應速度的低優(yōu)先級程序 。1：可靠性高。plc的硬件采取了屏蔽措施；電源采用了多級濾波環(huán)節(jié)；cpu 和 i/o 回路之間采用了光電隔離，提高了硬件可靠性。在軟件方面

7、，可編程控制器采用了故障自診斷方法，一發(fā)現(xiàn)故障，就顯示故障原因，并立即將信號狀態(tài)存入存儲器進行保護。當外界條件恢復正常時，可繼續(xù)工作。2：功能完善，性能價格比高由于plc是介于繼電器控制和計算機控制之間的自動控制裝置，所以plc不僅有邏輯運算的基本功能和控制功能，還具有四則運算和數(shù)據(jù)處理(如比較、判別、傳遞和數(shù)據(jù)變換等)等功能。plc具有面向用戶的指令和專用于存儲用戶程序的存儲器，用戶控制邏輯由軟件實現(xiàn)，這樣使plc適用于控制對象動作復雜、控制邏輯需要靈活變更的場合。有的plc還具有旋轉(zhuǎn)控制、數(shù)據(jù)表檢索等功能，使數(shù)控機床復雜的刀庫控制程序變得很簡單。plc已系列化、模塊化、可以根據(jù)需要，經(jīng)濟地

8、進行組合，因而使性能價格比得到提高。3： 容易實現(xiàn)機電一體化 由于plc結構緊湊，體積小，容易裝入機床內(nèi)部或電氣柜內(nèi)，實現(xiàn)機電一體化。4：編程簡單 大多數(shù)plc都采用梯形圖方法編程，形象直觀，原理易于理解和掌握，編程方便。plc可以與專用程編機、程編器、甚至個人計算機等設備連接，可以很方便地實現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷和傳送等操作。四、典型plc的指令和程序編制1：功能指令 數(shù)控機床用plc的指令必須滿足數(shù)控機床信息處理和動作控制的特殊要求。例如，由nc輸出的m、s、t二進制代碼信號的譯碼(dec)，機械運動狀態(tài)或液壓系統(tǒng)動作狀態(tài)的延時(tmr)確認，加工零件的計數(shù)(ctr)，刀庫、分度工作臺沿

9、最短路徑旋轉(zhuǎn)和現(xiàn)在位置至目標位置步數(shù)的計算(rot)，換刀時數(shù)據(jù)檢索(dsch)等。對于上述指令的譯碼、定時、計數(shù)、最短徑選擇，以及比較、檢索、轉(zhuǎn)移、代碼轉(zhuǎn)換、四則運算、信息顯示等控制功能，用移位操作的基本指令編程實現(xiàn)將會十分困難。因此需要一些具有專門控制功能的指令解決那些較復雜控制。這些專門指令就是功能指令。功能指令都是一些子程序，應用功能指令就是調(diào)用了相應的子程序指令參數(shù)（1）參數(shù)（2）參數(shù)（3）參數(shù)（4）x4。7r571。4abrstdx6。7r560。5r541。6actr550。0cwr500。0輸出參數(shù)指令控制條件 控制條件： 每條功能指令控制條件的數(shù)量和含義各不相同，控制條件以及

10、指令、參數(shù)和輸出(w)必須無一遺漏按固定的編碼順序編寫。指令： 指令有三種格式分別用于梯形圖、紙帶穿孔和程序顯示，編程機輸入時用簡化指令。參數(shù)： 與基本指令不同，功能指令可處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)或存有數(shù)據(jù)的地址可作為參數(shù)寫入功能指令。參數(shù)數(shù)目和含義隨指令不同而異。用plc編程器的prm鍵可以輸入?yún)?shù)。輸出(w)：功能指令操作結果用邏輯“0”或“1”狀態(tài)輸出到w。w地址由編程者任意指定。有些功能指令不用w，如move(邏輯乘后，數(shù)據(jù)移動)、com(公共線控制)、jmp(轉(zhuǎn)移)等。順序結束指令(end1，end2) 順序程序結束指令包括：end1：高級順序結束指令。要求響應快的信號(如脈沖 信號)編在高級

11、順序程序中，分為1、2、3級，用功能指令end1指定高級順序結束。 end2：低級順序程序結束 指令格式： 其中i=1和2， 分別表示高級和低級順序結束指令。定時器指令(tmr，tmrb) 在數(shù)控機床梯形圖編制中，定時器是不可缺少的指令。它用在機械動作完成狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)的延時確認(如卡盤夾緊/松開、自動夾具夾緊松開、轉(zhuǎn)臺鎖釋放、刀具夾緊/松開、主軸起動/停止等)，機床液壓、潤滑、冷卻、供氣系統(tǒng)執(zhí)行器件穩(wěn)定工作狀態(tài)的延時確認(如油缸、氣缸、電磁閥、壓力閥、氣閥等動作完成確認)，以及順序程序中其它需要與時間建立邏輯順序關系的場合。定時器指令格式 tmract.tm.控制條件指令定時器編號定時器控制

12、數(shù)據(jù)地址輸出地址 tmrtmact.控制條件指令定時器編號定時器繼電器定時器號tmr是設定時間可以更改的延時定時器。設定值用二進制表示。二進制1相當與50ms。設定范圍：0.051638.35s。定時器工作原理：當控制條件act=0時，輸出w=0 (即定時繼電器tm斷開)。當act=1時，定時器開始計時，在到達預定的時間后，w=1(即接通定時器繼電器tm)。譯碼指令(dec) 數(shù)控機床在執(zhí)行加工程序中規(guī)定的m、s、t機能時，cnc 裝置以bcd代碼形式輸出m、s、t代碼信號。這些信號需要經(jīng)過譯碼才能從bcd碼狀態(tài)，轉(zhuǎn)換成具有特定功能含義的一位邏輯狀態(tài)。dec功能指令的格式。 decact.w.

13、控制條件指令譯碼信號地址譯碼規(guī)格數(shù)據(jù)譯碼結果輸出地址 decact.w.控制條件指令譯碼信號地址譯碼規(guī)格數(shù)據(jù)譯碼結果輸出地址 譯碼信號地址是指數(shù)控裝置至plc的二字節(jié)bcd代碼的信號地址。譯碼規(guī)格數(shù)據(jù)由序號和譯碼位數(shù)兩部分組成，如右圖所示：序號必須兩位數(shù)指定。例如，對m03譯碼，這二位數(shù)即為03。譯碼位數(shù)的設定有三種情況： 01：對低位數(shù)譯碼 10：對高位數(shù)譯碼 11：對二位數(shù)譯碼 譯碼位數(shù)序 號操作維護容易可編程控制器信息通過總線或數(shù)據(jù)傳送線與主機相連，調(diào)試和操作方便?？删幊炭刂破鞑捎媚K化結構，如有損壞，即可更換。五、數(shù)控機床的plc功能1、cnc、plc、機床之間的信號處理過程cnc裝置

14、和機床之間的信號傳送處理兩個過程：（1）：cnc裝置機床：cnc裝置cnc裝置的ram plc的ram中。plc 軟件對其ram中的數(shù)據(jù)進行邏輯運算處理。處理后的數(shù)據(jù)仍在plc的ram中，對內(nèi)裝型plc，plc將已處理好的數(shù)據(jù)通過cnc的輸出接口送至機床；對獨立型plc，其ram中已處理好的數(shù)據(jù)通過plc的輸出接口送至機床。（2）：機床cnc裝置對于內(nèi)裝型plc，信號傳送處理如下：從機床輸入開關量數(shù)據(jù)cnc裝置的ram plc的ram。plc的軟件進行邏輯運算處理。處理后的數(shù)據(jù)仍在plc的ram中，同時傳送到cnc裝置的ram中。 cnc裝置軟件讀取ram中數(shù)據(jù)。對于獨立型plc，輸入的第一步

15、，數(shù)據(jù)通過plc的輸入接口送到plc的ram中，然后進行上述的第2步，以下均相同。（3）：主軸s功能通常用s二位或s四位代碼指定主軸轉(zhuǎn)速。cnc裝置送出s代碼(如二位代碼)進入plc，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換(獨立型plc)、譯碼、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、限位控制和d/a變換，最后輸給主軸電機伺服系統(tǒng)。為了提高主軸轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，增大轉(zhuǎn)矩、調(diào)整轉(zhuǎn)速范圍，還可增加12級機械變速檔。通過plc的m代碼功能實現(xiàn)。2、 plc cnc 、機床間的信息交換（1）：plc cnc的信號：主要有機床各坐標基準點信號，m、s、t功能的應答信號等。（2）：plc 機床的信號：主要是控制機床執(zhí)行件的執(zhí)行信號，如電磁鐵、接觸器、繼電器的動作信

16、號以及確保機床各運動部件狀態(tài)的信號及故障指示。（3）：機床 plc的信息：主要有機床操作面板上各開關、按鈕等信息，其中包括機床的起動、停止，機械變速選擇，主軸正/反轉(zhuǎn)、停止，冷卻液的開/關，各坐標的點動和刀架、夾盤的松/夾等信號，以及上述各部件的限位開關等保護裝置、主軸伺服保護監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準備等信號。主軸運動控制plc程序示例rdrd.stkand.notor.stkwrtrdrd.stkand.notor.stkwrt016.3137.0137.1137.0016.2137.1137.0137.1hs.mhandauto016.3137.0as.mautohand016.2137.

17、1137.0dec 0115 0411114.0mfm04141.2dec 0115 0311114.0mfm03141.1dec 0115 0511114.0mfm05143.3hand137.0auto137.1手動方式自動方式m03m04m05plc初始故障判斷程序如附圖所示。下面舉例說明初始故障診斷原理。以3個故障為例，其中設置了3個故障檢測位，分別為r500.0、r510.0、r520.0；3個初始故障檢測位為r500.2、r510.2、r520.2；f149.1為系統(tǒng)復位信號。初始狀態(tài)時，無報警出現(xiàn)，故障檢測位都為“0”，初始故障檢測位也都為“0”，復位信號f149.1為“0”。在

18、3個故障中假設首先發(fā)生第二個故障。在程序掃描的第一個周期內(nèi)，其對應的故障檢測位r510.0變?yōu)椤?”，r500.2、r520.2、f149.1初始值為“0”，初始故障檢測位r510.2變?yōu)椤?”，通過自鎖保持為“1”，直到故障被排除，系統(tǒng)復位信號發(fā)出后“1”狀態(tài)才被解除。在程序掃描的第二個周期內(nèi)，r510.2保持為“1”，實現(xiàn)了對r500.1、r520.1的封鎖，即使此時另外某一個故障檢測位為“1”，也不能導致其初始故障檢測位變?yōu)椤?”。通過此plc程序的控制，就能從同時發(fā)生的眾多故障里準確地判斷出初始故障。plc實現(xiàn)機床主軸自動換擋主軸是機床高速旋轉(zhuǎn)的運動機構，是機床的關鍵部件，其性能直接影

19、響零件的加工質(zhì)量。在實際加工過程中，對于不同的材料為了保證零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主軸有不同的轉(zhuǎn)速。主軸的變速一般采用電控或變速箱來實現(xiàn)。電控主軸直接采用變頻系統(tǒng)控制主軸的轉(zhuǎn)速，而主軸變速箱則采用不同的齒輪組合實現(xiàn)幾擋不同轉(zhuǎn)速的控制。許多機床采用主軸變速箱形式。主軸的轉(zhuǎn)速與輸出功率必須配套，如果用單一的齒輪比，雖然可以改變主軸轉(zhuǎn)速，但不可能充分利用主軸電機的功率。為了兼顧主軸的轉(zhuǎn)速與功率，必須采用不同的齒輪組合。 下面一臺五坐標數(shù)控龍門銑床。其主軸采用變速箱變速，控制系統(tǒng)為西門子sinumerik 840c數(shù)控系統(tǒng) ，坐標及主軸驅(qū)動采用西門子simodriver 611a根據(jù)

20、該機床的主軸換擋結構，結合控制系統(tǒng)的特點，通過內(nèi)置式plc控制程序，對主軸換擋進行了自動控制處理圖1 主軸換擋結構 圖2 控制系統(tǒng)信號流1 主軸換擋機構該機床的主軸換擋機構由兩個雙向電磁閥(sol1sol4)控制兩個油缸，分別推動兩個齒輪組上下移動，每組齒輪有上下兩個位置，變換齒輪變速比，產(chǎn)生4擋轉(zhuǎn)速。在主軸箱內(nèi)安裝了4個擋位檢測開關(sw1sw4)。壓力繼電器(ps1)檢測換擋液壓壓力。其換擋結構見圖1。 2 控制系統(tǒng)的信號與數(shù)據(jù)接口控制系統(tǒng)由nck和plc模塊組成，它們之間靠數(shù)據(jù)塊傳遞消息。機床的輸入輸出點接入plc的輸入輸出模塊中。nc系統(tǒng)給主軸發(fā)出速度指令電壓。系統(tǒng)主軸數(shù)據(jù)塊中存放有主

21、軸換擋的有關數(shù)據(jù)，通過plc程序，對這些數(shù)據(jù)進行實時操作。系統(tǒng)可以有8擋轉(zhuǎn)速控制。該機床采用了其中4擋，相鄰擋位間可以存在轉(zhuǎn)速的交叉。 為實現(xiàn)主軸的自動換擋，在機床數(shù)據(jù)中預先設置了主軸4個換擋轉(zhuǎn)速范圍。nc控制系統(tǒng)依據(jù)不同的擋位給主軸驅(qū)動裝置發(fā)出不同的指令電壓，對應主軸電機不同的轉(zhuǎn)速。 輸入信號：擋位檢測信號sw1sw4，換擋液壓壓力ps1，主軸電機停轉(zhuǎn)nmin，主軸電機實際轉(zhuǎn)速nact； 輸出信號：換擋電磁閥sol1sol4，電機驅(qū)動指令電壓vist。 系統(tǒng)主軸數(shù)據(jù)塊包含擺動速度、擺動頻率、內(nèi)置換擋范圍、當前擋位、換擋命令、目標擋位、換擋結束標志、主軸電機運行狀態(tài)、主軸禁止和主軸plc控制等數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的信號流見圖2。 系統(tǒng)可采用sw1sw4檢測開關的狀態(tài)組合編碼作為當前主軸擋位的標志。電磁閥及檢測開關狀態(tài)見表1。3 主軸自動換擋的plc實現(xiàn)表1 主軸換擋狀態(tài)換擋號 sol1 sol2 sol3 sol4 sw1 sw