數(shù)控機床用可編程控制器

1、第五章 數(shù)控機床用可編程控制器白城師范學(xué)院機械電子工程系白城師范學(xué)院機械電子工程系李德儉李德儉 副教授副教授目 錄第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、數(shù)控機床上的兩類控制信息一、數(shù)控機床上的兩類控制信息一類是控制機床進(jìn)給運動坐標(biāo)軸的位置信息，如數(shù)控機床工作臺的前、后、左、右移動；主軸箱的上、下移動和圍繞某一直線軸的旋轉(zhuǎn)運動位移量等。對于數(shù)控車床是控制Z軸和X軸的移動量；對于三坐標(biāo)數(shù)控機床是控制X、Y、Z軸的移動距離；同時還有各軸運動之間的關(guān)系，插補、補償?shù)目刂?。從而保證實現(xiàn)加工零件的輪廓軌跡。這類數(shù)字量信息是由CNC系統(tǒng)進(jìn)行處理的，即“數(shù)字控制”。白城師范學(xué)院機電系機自教研室3另一類是數(shù)控機床運動過程

2、中，以CNC系統(tǒng)內(nèi)部和機床上各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等的開關(guān)量信號的狀態(tài)為條件，并按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序，對諸如主軸的開停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行進(jìn)行控制。這一類控制信息主要是開關(guān)量信號的順序控制，一般由可編程邏輯控制器PLC（Programmanle logic controller)來完成。數(shù)控機床是通過計算機將第一類數(shù)字量信息和第二類開關(guān)量信息很好協(xié)調(diào)起來，實現(xiàn)正常的運轉(zhuǎn)和工作。白城師范學(xué)院機電系機自教研室4二、可編程控制器及其工作原理二、可編程控制器及其工作原理1.PLC1.PLC的基本概念及性能指標(biāo)的基本概念及性能指標(biāo)定義定義：PLC是

3、一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。是以微處理器為核心，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。它的實質(zhì)就是一種工業(yè)控制用的專用計算機。 功能功能：具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制，數(shù)/模轉(zhuǎn)換、算術(shù)運算及數(shù)據(jù)處理、通信聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)過程監(jiān)控等。組成：組成：由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)所組成。 白城師范學(xué)院機電系機自教研室5白城師范學(xué)院機電系機自教研室6接收現(xiàn)場信號輸入部件外設(shè)接口擴展接口輸出部件電源運算器控制器微處理器微處理器RAM用戶程序EPROM系統(tǒng)程序盒式磁帶機驅(qū)動受控元件I/O擴展單元存儲器存儲器打印機EPROM寫入器PLC或上位計算機編程器

4、通用型PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖 硬件系統(tǒng)n中央處理單元（中央處理單元（CPUCPU）是系統(tǒng)的核心，通?？芍苯邮梗┦窍到y(tǒng)的核心，通常可直接使用通用微處理器來實現(xiàn)，它通過輸入部件將現(xiàn)場信息用通用微處理器來實現(xiàn)，它通過輸入部件將現(xiàn)場信息采入，并按用戶程序規(guī)定的邏輯進(jìn)行處理，然后將結(jié)采入，并按用戶程序規(guī)定的邏輯進(jìn)行處理，然后將結(jié)果輸出出去，用來控制外部設(shè)備。果輸出出去，用來控制外部設(shè)備。 n存儲器主要用存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和工作用戶程序和工作數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 n系統(tǒng)程序系統(tǒng)程序是指控制和是指控制和完成完成PLCPLC各種功能的程各種功能的程序，它包括監(jiān)控程序、序，它包括監(jiān)控程序

5、、模塊化應(yīng)用功能子程序、模塊化應(yīng)用功能子程序、指令解釋程序、故障自指令解釋程序、故障自診斷程序和各種管理程診斷程序和各種管理程序等，并且在出廠時由序等，并且在出廠時由制造廠家固化在制造廠家固化在PROMPROM（可編程存儲器，用戶（可編程存儲器，用戶一次性寫入，一經(jīng)寫入一次性寫入，一經(jīng)寫入就不能更改）中。就不能更改）中。 n用戶程序用戶程序是指用戶根是指用戶根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求而編寫程和工藝要求而編寫的應(yīng)用程序，在修改的應(yīng)用程序，在修改調(diào)試完成后可由用戶調(diào)試完成后可由用戶固化在固化在EPROMEPROM（光可擦（光可擦除可編程存儲器，可除可編程存儲器，可通過專用設(shè)

6、備，多次通過專用設(shè)備，多次反復(fù)使用）中或存儲反復(fù)使用）中或存儲在磁帶、磁盤中。在磁帶、磁盤中。 n工作數(shù)據(jù)是工作數(shù)據(jù)是PLCPLC運行過運行過程中需要經(jīng)常存取，程中需要經(jīng)常存取，并會隨時改變的一些并會隨時改變的一些中間數(shù)據(jù)，為了適應(yīng)中間數(shù)據(jù)，為了適應(yīng)隨機存取的要求，它隨機存取的要求，它們一般存放在們一般存放在RAMRAM（隨（隨機存儲器）中。機存儲器）中。 n電源單元的作用是將外部電源單元的作用是將外部提供的交流電轉(zhuǎn)換為提供的交流電轉(zhuǎn)換為PLCPLC的的內(nèi)部所需要的直流電源。內(nèi)部所需要的直流電源。要求它具有較好的電磁兼要求它具有較好的電磁兼容性能，工作穩(wěn)定，并且容性能，工作穩(wěn)定，并且有過電流過

7、電壓保護功能。有過電流過電壓保護功能。 n編程器是用來開發(fā)、調(diào)編程器是用來開發(fā)、調(diào)試、運行應(yīng)用程序的特試、運行應(yīng)用程序的特殊工具，一般由鍵盤、殊工具，一般由鍵盤、顯示屏、智能處理器、顯示屏、智能處理器、外部設(shè)備（如硬盤外部設(shè)備（如硬盤/ /軟盤軟盤驅(qū)動器等）組成，通過驅(qū)動器等）組成，通過通信接口與通信接口與PLCPLC相連。相連。 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)PLC基本軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件一般包括操作系統(tǒng)、語言編譯系統(tǒng)和各種功能軟件等。其中操作系統(tǒng)管理PLC的各種資源，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分之間、系統(tǒng)與用戶之間的關(guān)系，為用戶應(yīng)用軟件提供了一系列管理手段，以使用戶應(yīng)用程序能正確地進(jìn)入系統(tǒng)，正常工

8、作。用戶應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)電氣控制線路圖采用梯形圖語言編寫的邏輯處理軟件。 白城師范學(xué)院機電系機自教研室7PLCPLC的特點：的特點： 可靠性高 編程簡單，使用方便 靈活性好 直接驅(qū)動負(fù)載能力強 便于實現(xiàn)機電一體化 網(wǎng)絡(luò)通信白城師范學(xué)院機電系機自教研室8n由于由于PLCPLC是針是針對惡劣的工業(yè)對惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的，環(huán)境而設(shè)計的，所以在其硬件所以在其硬件和軟件方面都和軟件方面都采取了很多有采取了很多有效措施來提高效措施來提高它的可靠性。它的可靠性。 n由于由于PLCPLC沿用了梯形圖沿用了梯形圖編程簡單的優(yōu)點，對于編程簡單的優(yōu)點，對于從事繼電器控制工作的從事繼電器控制工作的技術(shù)人員，都能在

9、很短技術(shù)人員，都能在很短的時間內(nèi)學(xué)會。的時間內(nèi)學(xué)會。 n 由于由于PLCPLC是利用是利用軟件來處理各種邏軟件來處理各種邏輯關(guān)系，當(dāng)在現(xiàn)場輯關(guān)系，當(dāng)在現(xiàn)場裝配和調(diào)試過程中裝配和調(diào)試過程中需要改變控制邏輯需要改變控制邏輯時就不必改變外部時就不必改變外部線路，只要改寫程線路，只要改寫程序重新固化即可。序重新固化即可。另外，產(chǎn)品也易于另外，產(chǎn)品也易于系列化、通用化，系列化、通用化，稍作修改就可應(yīng)用稍作修改就可應(yīng)用于不同的控制對象。于不同的控制對象。 n由于由于PLCPLC輸出模塊中大多采用了輸出模塊中大多采用了大功率晶體管和控制繼電器的形大功率晶體管和控制繼電器的形式進(jìn)行輸出，因而具有較強的驅(qū)式進(jìn)行

10、輸出，因而具有較強的驅(qū)動能力，一般都能直接驅(qū)動執(zhí)行動能力，一般都能直接驅(qū)動執(zhí)行電器的線圈、接通或斷開強電線電器的線圈、接通或斷開強電線路。路。 n由于由于PLCPLC結(jié)構(gòu)緊湊、體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、功耗低積小、質(zhì)量小、功耗低和效率高，所以很容易和效率高，所以很容易將其裝入控制柜內(nèi)，實將其裝入控制柜內(nèi)，實現(xiàn)機電一體化?，F(xiàn)機電一體化。 n利用其通信利用其通信功能可實現(xiàn)功能可實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)計算機網(wǎng)絡(luò)控制。控制。 數(shù)控機床數(shù)控機床PLCPLC的形式的形式按規(guī)模分類：按規(guī)模分類：小型小型：輸入/輸出的點數(shù) 128點；中型中型：128點 輸入/輸出的點數(shù)512點按結(jié)構(gòu)形式分類：按結(jié)構(gòu)形式分類：內(nèi)裝型

11、內(nèi)裝型（Built-in Type）PLC（或稱集成式、內(nèi)含式）。它是為數(shù)控設(shè)備順序控制而設(shè)計制造的、從屬于CNC系統(tǒng)的專用PLC。獨立型獨立型（Stand-alone Type）PLC ，或稱為“通用型”PLC它是適應(yīng)范圍較廣、功能齊全、通用化程度較高的PLC。白城師范學(xué)院機電系機自教研室9PLCPLC的規(guī)模及其應(yīng)用的規(guī)模及其應(yīng)用程序存儲器 容量應(yīng) 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(shè)備128點 512點1 4 KB大型數(shù)控設(shè)備、FMC、FMS、CIMS等則需要采用中、大型規(guī)模的可編程控制器512點 以上4KB以上白城師范學(xué)院機電系機自教研室1

12、0PLC 規(guī)模評價 指標(biāo)中型大型輸入/輸出 的點數(shù)一、數(shù)控機床一、數(shù)控機床PLCPLC的控制對象的控制對象位置控制和順序控制白城師范學(xué)院機電系機自教研室11CNC系統(tǒng)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.數(shù)控裝置、可編程控制器、機床之間的關(guān)系圖數(shù)控裝置、可編程控制器、機床之間的關(guān)系圖第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)控機床用數(shù)控機床用PLCPLCPLCPLC在數(shù)控機床中有三種不同的配在數(shù)控機床中有三種不同的配置方式置方式白城師范學(xué)院機電系機自教研室12n第二種第二種采用內(nèi)裝采用內(nèi)裝PLC。此時。此時PLC僅有僅有M根輸入輸出連線控制根輸入輸出連線控制機床，而機床，而PLC與數(shù)控系統(tǒng)

13、之間的與數(shù)控系統(tǒng)之間的信息交換在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部完成，信息交換在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部完成，因此連線少，易于維修，成本也因此連線少，易于維修，成本也較低。較低。 n第一種第一種PLCPLC安裝在機床側(cè)，用于完成傳統(tǒng)繼電器安裝在機床側(cè)，用于完成傳統(tǒng)繼電器的邏輯控制，的邏輯控制，PLCPLC與數(shù)控系統(tǒng)之間通過與數(shù)控系統(tǒng)之間通過I IO O點連點連線對接交換信息，線對接交換信息，PLCPLC通過通過I IO O點再控制機床的點再控制機床的邏輯動作。在這種配置中，邏輯動作。在這種配置中，PLCPLC可選用任意一種可選用任意一種型號的產(chǎn)品，可選擇余地大。此時型號的產(chǎn)品，可選擇余地大。此時PLCPLC需需N+MN+M根

14、連根連線，因此連線復(fù)雜。線，因此連線復(fù)雜。l第三種獨立型第三種獨立型PLC安裝在靠近安裝在靠近CNC處（或使用處（或使用內(nèi)置內(nèi)置PLC），但將），但將PLC的的IO模塊安裝在機床側(cè)，模塊安裝在機床側(cè)，PLC與與IO模塊之間使用遠(yuǎn)程模塊之間使用遠(yuǎn)程IO通信線連接通信線連接（通常（通常PLC均有遠(yuǎn)程均有遠(yuǎn)程I/O模塊）。這種配置特別適模塊）。這種配置特別適用于重型、大型機床，可使用多個遠(yuǎn)程用于重型、大型機床，可使用多個遠(yuǎn)程IO模塊，模塊，各遠(yuǎn)程各遠(yuǎn)程IO模塊安裝在靠近各自的控制對象處，模塊安裝在靠近各自的控制對象處，從而減少和縮短了連線，簡化了強電結(jié)構(gòu)，提高從而減少和縮短了連線，簡化了強電結(jié)構(gòu)，提

15、高了系統(tǒng)的可靠性。了系統(tǒng)的可靠性。 內(nèi)裝型內(nèi)裝型PLCPLC此類是CNC系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家為實現(xiàn)數(shù)控機床的順序控制，而將CNC和PLC綜合起來設(shè)計，稱為內(nèi)裝型PLC。內(nèi)裝型PLC是CNC裝置的一部分，它與CNC中CPU的信息交換是在CNC內(nèi)部進(jìn)行的。這種類型的PLC一般不能獨立工作，它是CNC裝置的一個功能模塊，是CNC裝置功能的擴展，兩者是不能分離的。白城師范學(xué)院機電系機自教研室13在硬件上，內(nèi)裝型PLC既可與CNC裝置共用一個CPU，如西門子的SINUMERIK810、820等數(shù)控系統(tǒng)；也可以是單獨的CPU，如FANUC的0系統(tǒng)和15系統(tǒng)、美國A-B公司的8400系統(tǒng)和8600系統(tǒng)等。由于CN

16、C裝置的功能和PLC的功能在設(shè)計時就統(tǒng)一考慮，因而這種類型的PLC在硬件和軟件的整體結(jié)構(gòu)上合理、實用，性能價格比高，適用于類型變化不大的數(shù)控機床。由于PLC與CNC之間的連線較少，且PLC內(nèi)的信息也能通過CNC裝置的顯示器顯示，使PLC的編程更為方便，而且故障診斷的功能也有提高，從而提高了CNC系統(tǒng)的可靠性。白城師范學(xué)院機電系機自教研室14白城師范學(xué)院機電系機自教研室15 NCPLCI/O電路伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元 強電電路 機床操作面板 MDI/CR面板進(jìn)給電動機主軸電動機 輔助動作換 刀冷 卻排 屑CNC裝置裝置內(nèi)裝型內(nèi)裝型PLCPLC結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖 獨立型獨立型PLCPLC此類是由專

17、業(yè)化生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品來實現(xiàn)順序控制，稱為獨立型PLC ，或稱為“通用型”PLC。獨立型PLC是獨立于CNC裝置的，它具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規(guī)定的控制任務(wù)。在數(shù)控機床選用獨立型PLC時，主要考慮能滿足以下要求：輸入/輸出信號接口技術(shù)規(guī)范、輸入/輸出點數(shù)、程序存儲容量以及運算和控制功能等。白城師范學(xué)院機電系機自教研室16由于這種類型PLC的生產(chǎn)廠家較多，品種、類型豐富，使用戶有較大的選擇余地，可以選擇自己熟悉的產(chǎn)品，而且其功能的擴展也較方便。獨立型PLC與CNC裝置之間是通過輸入/輸出接口連接的。國內(nèi)已引進(jìn)應(yīng)用的獨立型PLC有：西門子公司的SIMATIC S5、S7系列產(chǎn)品

18、；A-B公司的PLC系列產(chǎn)品；FANUC公司的PMC-J系列產(chǎn)品等。白城師范學(xué)院機電系機自教研室17白城師范學(xué)院機電系機自教研室18 NCPLC伺服驅(qū)動單元主軸驅(qū)動單元 強電電路機床操作面板MDI/CRT面板伺服電動機主軸電動機 輔助動作換刀冷卻排屑I/O電路I/O電路I/O電路PLC裝置裝置獨立型獨立型PLCPLC結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖PLCPLC 程序執(zhí)行過程圖白城師范學(xué)院機電系機自教研室19輸 入 端 器 件輸 入 映 象元 件 映 象 寄 存輸 出 鎖 存輸 出 端 器 件輸 入輸 出輸入采樣階段輸出刷新階段程序執(zhí)行階段二、二、 PLC的工作過程的工作過程PLCPLC 、CNC CNC 、機床間的信息交換：、機