數(shù)控機(jī)床與可編程序控制器課件

第六講數(shù)控機(jī)床與

可編程序控制器（PLC）數(shù)控機(jī)床與使用維修本講主要內(nèi)容PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的工作原理數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的類型及特點(diǎn)PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式可編程控制器與外部的信息交換數(shù)控機(jī)床用可編程控制器的控制功能

引言數(shù)控機(jī)床的控制除了對坐標(biāo)軸的進(jìn)給進(jìn)行位置伺服控制外，還需要對機(jī)床的主軸、刀具和各種開關(guān)信號進(jìn)行控制。如主軸的正、反轉(zhuǎn)，起動(dòng)和停止，刀具交換，工件夾緊、松開，工作臺交換以及切削液的開、關(guān)和潤滑系統(tǒng)的啟動(dòng)等進(jìn)行順序控制。順序控制的信息主要是開關(guān)量信號，如控制開關(guān)、行程開關(guān)、壓力開關(guān)和溫度開關(guān)等輸入元件輸入的信號和繼電器、接觸器、電磁閥等輸出元件所需要的輸出信號。在數(shù)控機(jī)床上用可編程控制器完成這一控制任務(wù)。

1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（1）

可編程控制器實(shí)質(zhì)上是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，PLC與微型計(jì)算機(jī)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。CPU是PLC的核心部件，其上不僅有CPU集成芯片，而且還有一定數(shù)量的內(nèi)存儲器RAM和系統(tǒng)程序存儲器EPROM，用戶程序存儲器EPROM，輸入輸出（I／O）模塊及電源等組成，其各部分均采用總線結(jié)構(gòu)?？删幊炭刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（2）

中央處理單元CPUPLC中的CPU與通用微機(jī)中的CPU一樣，是PLC的核心部分。CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，接收并存儲從編程器鍵人的用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描方式查詢現(xiàn)場輸入裝置的各種信號狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中，在診斷了電源、PLC內(nèi)部電路及編程語句無誤后，PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶程序，完成用戶程序中規(guī)定的邏輯運(yùn)算或算術(shù)運(yùn)算等任務(wù)。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，再由輸出狀態(tài)寄存器的位狀態(tài)或數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)輸出控制、制表打印、數(shù)據(jù)通信等功能。1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（4）

輸入輸出模塊（I／O模塊）

I／O模塊是PLC與現(xiàn)場I／O裝置或其他外部設(shè)備的連接部件?，F(xiàn)場輸入裝置有控制按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、行程開關(guān)、接近開關(guān)、壓力開關(guān)及溫控開關(guān)等，這些信號經(jīng)接口電路接入PLC后，還要經(jīng)過抗強(qiáng)電干擾的光電耦合、消抖動(dòng)電路、濾波電路才能送到PLC輸入數(shù)據(jù)寄存器。1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（5）

PLC的輸出裝置有繼電器、雙向晶閘管和晶體管三種形式，因此，PLC提供了各種操作電平、驅(qū)動(dòng)能力以及不同功能的I／O模塊供用戶選用。模擬量輸入輸出模塊和智能接口模塊。模擬量輸入輸出模塊的作用就是將輸入的模擬量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換變成PLC能處理的數(shù)字量，并將PLC處理后的數(shù)字量經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換變成模擬量輸出。1．PLC的硬件結(jié)構(gòu)（6）

編程器

編程器用于用戶程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視，還可以通過其鍵盤調(diào)用和顯示PLC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。通過接口與PLC聯(lián)系，完成人機(jī)對話連接。簡易型編程器只能在線編程，它通過一個(gè)專用接口與PLC連接。智能型編程器既可在線編程又可離線編程，還可與微型計(jì)算機(jī)接口或與打印機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)程序的存儲、打印、通信等功能。2．PLC軟件系統(tǒng)（2）用戶程序

用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制的需要，用PLC程序語言編制的應(yīng)用程序，用以實(shí)現(xiàn)各種控制要求。用戶程序由用戶用編程器輸入到PLC內(nèi)存。小型PLC的用戶程序比較簡單，不需要分段，可按順序編制；大中型PLC的用戶程序很長，也比較復(fù)雜，為使用戶程序編制簡單清晰，可按功能結(jié)構(gòu)或使用目的將用戶程序劃分成各個(gè)程序模塊，每個(gè)模塊用來解決一個(gè)確定的技術(shù)功能，這樣使程序編制變得容易理解，同時(shí)能很方便地對程序進(jìn)行調(diào)試和修改。二、PLC的工作原理1．基本思想用戶程序通過編程器輸入到用戶存儲器，CPU對用戶程序循環(huán)掃描并順序執(zhí)行，這是PLC的基本工作原理。掃描與順序執(zhí)行只要PLC接通電源，CPU就對用戶存儲器的程序進(jìn)行掃描，即從第一條用戶程序開始順序執(zhí)行，直到用戶程序最后一條，形成一個(gè)掃描周期，周而復(fù)始。用梯形圖形象地說就是從上至下，從左至右，逐行掃描執(zhí)行梯形圖所描述的邏輯功能。目前在PLC中，執(zhí)行每條指令的平均時(shí)間可達(dá)μs級。PLC執(zhí)行程序的一個(gè)掃描周期２．掃描工作過程（2）輸入采樣

在輸入采樣階段，PLC以掃描方式將所有輸入端的輸入信號狀態(tài)（ON／OFF狀態(tài)）讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，稱為對輸入信號的采樣。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個(gè)工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。２．掃描工作過程（3）程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描。如程序用梯形圖表示，則總是按先上后下、先左后右的順序掃描。每掃描到一條指令時(shí)，所需要的輸入狀態(tài)或其他元素的狀態(tài)分別從輸入映像寄存器或輸出映像寄存器中讀入，然后進(jìn)行相應(yīng)的邏輯或算術(shù)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入專用寄存器。若執(zhí)行程序輸出指令時(shí)，則將相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果存入輸出映像寄存器。三、數(shù)控機(jī)床用可編程控制器

的類型及特點(diǎn)

1．概述數(shù)控機(jī)床中所用的PLC可分為兩類：一類是專為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制而設(shè)計(jì)制造的內(nèi)裝型PLC，另一類是那些輸入輸出技術(shù)規(guī)范，輸入輸出點(diǎn)數(shù)、程序存儲容量以及運(yùn)算和控制功能等均能滿足數(shù)控機(jī)床控制要求的獨(dú)立型PLC。２．內(nèi)裝型PLC（１）內(nèi)裝型PLC從屬于CNC裝置，PLC與NC之間信號傳送在CNC裝置內(nèi)部就可完成，而PLC與機(jī)床側(cè)的信息傳送則要通過輸入輸出接口來完成。２．內(nèi)裝型PLC（3）

內(nèi)裝型PLC特點(diǎn)（2）：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，內(nèi)裝型PLC既可以與CNC共用一個(gè)CPU，也可以單獨(dú)使用一個(gè)CPU，此時(shí)的PLC對外有單獨(dú)配置的輸入輸出電路，而不使用CNC裝置的輸入輸出電路。擴(kuò)大了CNC內(nèi)部直接處理的通信窗口功能，可以使用梯形圖的編輯和傳送等高級控制功能，且造價(jià)便宜，提高了CNC的性能價(jià)格比。具有內(nèi)裝型PLC的CNC系統(tǒng)2．獨(dú)立型PLC（2）

獨(dú)立型PLC具有以下特點(diǎn)（１）：獨(dú)立型PLC本身是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口以及編程器等外部設(shè)備通信接口、電源等。獨(dú)立型PLC的I/O模塊種類齊全，其輸入輸出點(diǎn)數(shù)可通過增減I/O模塊靈活配置。2．獨(dú)立型PLC（3）

獨(dú)立型PLC具有以下特點(diǎn)（２）：與內(nèi)裝型PLC比較，獨(dú)立型PLC功能更強(qiáng)，但一般要配置單獨(dú)的編程設(shè)備。獨(dú)立型PLC與數(shù)控系統(tǒng)之間的信息交換可通過I/O接口對接方式，也可采用通信方式。I/O接口對接方式就是將數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)通過連線與PLC的輸入輸出點(diǎn)連接起來，適應(yīng)于數(shù)控系統(tǒng)與各種PLC的信息交換。但由于每一點(diǎn)的信息傳遞需要一根信號線，所以這種方式連線多，信息交換量小。采用通信的方式可克服上述I/O對接的缺點(diǎn)。但采用這種方式的數(shù)控系統(tǒng)與PLC必須采用同一通信協(xié)議。采用通信方式時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)與PLC的連線少，信息交換量大而且非常方便。四、PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式PLC在數(shù)控機(jī)床上配置方式圖例（1）PLC在數(shù)控機(jī)床上配置方式圖例（2）１．PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式（1）第一種

PLC安裝在機(jī)床側(cè)，用于完成傳統(tǒng)繼電器的邏輯控制，PLC與數(shù)控系統(tǒng)之間通過I／O點(diǎn)連線對接交換信息，PLC通過I／O點(diǎn)再控制機(jī)床的邏輯動(dòng)作。在這種配置中，PLC可選用任意一種型號的產(chǎn)品，可選擇余地大。此時(shí)PLC需N+M根連線，因此連線復(fù)雜。１．PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式（2）第二種

采用內(nèi)裝PLC。此時(shí)PLC僅有M根輸入輸出連線控制機(jī)床，而PLC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，因此連線少，易于維修，成本也較低。

１．PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式（3）第三種

獨(dú)立型PLC安裝在靠近CNC處（或使用內(nèi)置PLC），但將PLC的I／O模塊安裝在機(jī)床側(cè)，PLC與I／O模塊之間使用遠(yuǎn)程I／O通信線連接（通常PLC均有遠(yuǎn)程I/O模塊）。這種配置特別適用于重型、大型機(jī)床，可使用多個(gè)遠(yuǎn)程I／O模塊，各遠(yuǎn)程I／O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(qiáng)電結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。１．PLC在數(shù)控機(jī)床上的配置方式（4）第四種使用獨(dú)立型PLC，但PLC與數(shù)控系統(tǒng)之間通過通信線連接，簡化了連線，通信信息量也大大增加。五、可編程控制器與外部的信息交換1．機(jī)床至PLC（MT→PLC）

機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號通過I／O單元接口輸入至PLC中，除極少數(shù)信號外，絕大多數(shù)信號的含義及所占用PLC的地址均可由PLC程序設(shè)計(jì)者自行定義。2．PLC至機(jī)床（PLC→MT）

PLC控制機(jī)床的信號通過PLC的開關(guān)量輸出接口送到機(jī)床側(cè)，所有開關(guān)量輸出信號的含義及所占用PLC的地址均可由PLC程序設(shè)計(jì)者自行定義。舉例在SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)中，機(jī)床側(cè)某電磁閥的動(dòng)作由PLC的輸出信號來控制，設(shè)該信號用Q1．4來定義。該信號通過I／O模塊和I／O端子板輸出至中間繼電器線圈，繼電器的觸點(diǎn)又使電磁閥的線圈得電，從而控制電磁閥的動(dòng)作。同樣，Q1．4信號可在PLCSTATUS狀態(tài)下，通過觀察QBl的第4位“0”或“1”來獲知該輸出信號是否有效。3．CNC至PLC（CNC→PLC）

CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信號含義和地址（開關(guān)量地址或寄存器地址）均由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用，不可改變和增刪。舉例數(shù)控指令的M、S、T功能，通過CNC譯碼后直接送入PLC相應(yīng)的寄存器中。在SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)中，M03指令經(jīng)譯碼后，送入FY27．3寄存器中。4．PLC至CNC（PLC→CNC）

PLC送至CNC的信息也由開關(guān)量信號或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信號地址與含義由CNC廠家確定，PLC編程者只可使用，不可改變和增刪。舉例

SINUMERIK810數(shù)控系統(tǒng)中，Q108.5為PLC至CNC的進(jìn)給使能信號。六、數(shù)控機(jī)床用可編程控制器功能1．S功能處理

主軸轉(zhuǎn)速可以用S2位代碼或S4位代碼直接指定。例如：某數(shù)控機(jī)床的主軸最高轉(zhuǎn)速為4000r／min，最低轉(zhuǎn)速為50r／min，若用S4位代碼，CNC送出S4位代碼至PLC，將進(jìn)行二——十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行限位，當(dāng)S代碼大于4000時(shí)限制S為4000，當(dāng)S代碼小于50時(shí)，限制S為50，此數(shù)值送到D／A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成50～4000r／min相對應(yīng)的輸出電壓，作為轉(zhuǎn)速指令控制主軸的轉(zhuǎn)速；若用S2位代碼指定主軸的轉(zhuǎn)速，應(yīng)首先制定S2位代碼與主軸轉(zhuǎn)速的對應(yīng)表，CNC輸出S2位代碼進(jìn)入PLC，經(jīng)過一系列處理，很容易實(shí)現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速的控制。２．T功能處理

數(shù)控機(jī)床通過PLC可管理刀庫，特別是對加工中心的自動(dòng)換刀帶來了很大的方便。

處理的信息包括選刀方