《數(shù)控原理與系統(tǒng)》第7章-數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

第7章數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)7.1概述7.2JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)及其在CJK0630A車床上的應(yīng)用7.3FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)及其在CK6150數(shù)控車床上的應(yīng)用7.4數(shù)控系統(tǒng)中PLC的資訊交換及M、S、T功能的實(shí)現(xiàn)7.5數(shù)控機(jī)床電氣圖的繪製方法小結(jié)習(xí)題7.1概述

數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，除了電腦數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動(dòng)裝置之外，還必須有配套的電氣控制電路和輔助功能控制邏輯。7.1.1數(shù)控機(jī)床電氣控制電路數(shù)控機(jī)床的電氣控制電路包括主電路、控制電路、數(shù)控系統(tǒng)介面電路等幾個(gè)部分，涉及低壓電器元件、機(jī)床電氣控制技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)介面等知識(shí)。

機(jī)床主電路主要用來實(shí)現(xiàn)電能的分配和短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、超載保護(hù)等功能。在控制要求較高的數(shù)控機(jī)床總電源回路中，為了保證數(shù)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，一般要通過隔離變壓器供電；對(duì)於電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大的應(yīng)用場合，還要在總電源回路中加裝穩(wěn)壓器；對(duì)於主回路中容量較大、頻繁通/斷的交流電動(dòng)機(jī)電源回路，為了防止其對(duì)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，一般要加阻容吸收電路。

機(jī)床控制電路主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的液壓、冷卻、潤滑、照明等進(jìn)行控制，該電路的控制原則與普通機(jī)床相同，但有些開關(guān)信號(hào)來自數(shù)控系統(tǒng)，而且在交流接觸器、繼電器線圈的兩端要加阻容吸收。

數(shù)控系統(tǒng)介面電路用來完成信號(hào)的變換和連接。由於在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部是直流弱電信號(hào)，而機(jī)床電氣控制電路是交流強(qiáng)電信號(hào)，為防止電磁場干擾或工頻電壓串入電腦數(shù)控系統(tǒng)中，一般採用光電耦合器進(jìn)行隔離。常見的介面電路如圖7.1所示。（a）直流輸入介面(b)達(dá)林頓電晶體輸出介面圖7.1數(shù)控系統(tǒng)開關(guān)量輸入/輸出介面7.1.2數(shù)控輔助功能數(shù)控系統(tǒng)除了用於進(jìn)給位置控制的準(zhǔn)備功能（G功能）之外，還有用於零件裝卸、冷卻液開關(guān)、主軸啟停等控制的輔助功能(M功能),以及用於指定主軸轉(zhuǎn)速的S功能、用於刀具更換的T功能。這些輔助動(dòng)作控制功能通稱為數(shù)控輔助功能。1.輔助功能M

輔助功能M，用來控制主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，主軸齒輪箱的變速，冷卻液的開關(guān)，卡盤的夾緊和鬆開，以及自動(dòng)換刀裝置的取刀和還刀等。在零件程式中，用字母“M”後跟2位十進(jìn)位數(shù)字構(gòu)成的M代碼編程。表7.1所示，為某數(shù)控系統(tǒng)的基本輔助功能。表7.1基本輔助功能動(dòng)作類型輔助功能代碼功能類型輔助功能代碼功能類型M00M01M02M03M04M05M06程式停選擇停程式結(jié)束主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)主軸停換刀準(zhǔn)備AAAIIACM07M08M09M10M11M30液狀冷卻開霧狀冷卻開冷卻液關(guān)夾緊鬆開程式結(jié)束並倒帶IIAHHA

各輔助功能的執(zhí)行條件是不完全相同的，從而可以分為4種動(dòng)作類型。有的輔助功能在它所在程式段開始執(zhí)行時(shí)就立即起作用，這類輔助功能稱為段前輔助功能，記為I，例如M03、M04等。有些輔助功能要等到它所在程式段中的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)完成之後才起作用，故稱為段後輔助功能，記為A，例如M05、M09等。

有些輔助功能只在本程式段內(nèi)起作用，當(dāng)後續(xù)程式段到來時(shí)便失效，稱為當(dāng)前輔助功能，記為C類，例如M06等。還有一些輔助功能一旦被執(zhí)行便一直有效，直至被注消或被取代為止，稱為保持類輔助功能，記為H類，例如M10、M11等。對(duì)於不同動(dòng)作類型的輔助功能，在用邏輯電路或編寫PLC程式實(shí)現(xiàn)時(shí)，其處理方法也將不同。2．S功能

S功能主要完成主軸轉(zhuǎn)速的控制，有S2位代碼和S4位代碼兩種編程形式。S2位代碼用字母“S”後跟2位十進(jìn)位數(shù)的形式來指定主軸轉(zhuǎn)速，S00～S99共100級(jí)，主要用於分檔調(diào)速的主軸。S4位代碼用字母“S”後跟4位十進(jìn)位數(shù)的形式來指定主軸轉(zhuǎn)速，例如，S1500就直接表示主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min。S4位代碼表示的轉(zhuǎn)速範(fàn)圍為0～9999r/min，用於帶專用主軸驅(qū)動(dòng)單元的連續(xù)或分段無級(jí)主軸調(diào)速。3．T功能

T功能即刀具功能，T代碼後跟隨2～5位數(shù)字表示要求的刀具號(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。數(shù)控機(jī)床根據(jù)T代碼，通過PLC可以管理刀庫，自動(dòng)更換刀具，也就是說根據(jù)刀具和刀具座的編號(hào)，可以簡便、可靠地進(jìn)行選刀和換刀控制。7.1.3數(shù)控系統(tǒng)中的可編程控制器（PLC）數(shù)控系統(tǒng)輔助控制功能以開關(guān)量順序控制為主，可採用繼電器控制邏輯或可編程序邏輯控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)。在一些經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控車床和輔助動(dòng)作比較簡單的數(shù)控機(jī)床上，為了簡單起見，其輔助動(dòng)作的控制常用繼電器邏輯實(shí)現(xiàn)。而在功能比較完善的數(shù)控機(jī)床上，其輔助動(dòng)作的控制邏輯一般都比較複雜，如果仍使用繼電器實(shí)現(xiàn)，則電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試將比較困難，可靠性也差。因此，多數(shù)數(shù)控機(jī)床都採用可編程控制器（PLC）來完成輔助運(yùn)動(dòng)的控制。

根據(jù)所用PLC與CNC裝置之間的關(guān)係不同，數(shù)控系統(tǒng)中的PLC分為內(nèi)裝型PLC和獨(dú)立型PLC兩種配置形式。1．獨(dú)立型PLC

所謂獨(dú)立型PLC實(shí)際上也就是一個(gè)通用型PLC，它完全獨(dú)立於CNC裝置，具有完備的硬體和軟體，能夠獨(dú)立完成邏輯順序控制任務(wù)。它與CNC裝置、數(shù)控機(jī)床之間的關(guān)係如圖7.2所示。

獨(dú)立型PLC不但要進(jìn)行機(jī)床側(cè)的I/O連接，還要進(jìn)行CNC裝置側(cè)的I/O連接。CNC和PLC都有自己的開關(guān)量I/O介面電路，PLC的I/O點(diǎn)數(shù)和功能可根據(jù)被控機(jī)床輔助動(dòng)作的複雜程度而定。數(shù)控車床、數(shù)控銑床等單臺(tái)數(shù)控設(shè)備，所需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)大多在64點(diǎn)以下，加工中心等複雜設(shè)備在64點(diǎn)以上，這時(shí)選用微型或小型PLC上即可。而對(duì)於大型數(shù)控生產(chǎn)線，如FMC、FMS、CIMS等，則需要選用中型或大型PLC。獨(dú)立型PLC配置靈活，不受CNC的限制。但是其連線複雜，與CNC之間的聯(lián)繫不緊密，造價(jià)較高，性能/價(jià)格比較低。2．內(nèi)裝型PLC

內(nèi)裝型PLC也叫內(nèi)置型PLC，內(nèi)裝型PLC的全部功能包含在CNC裝置內(nèi)，從屬於CNC裝置，與CNC裝置集成於一體，如圖7.3所示。在內(nèi)含PLC的數(shù)控系統(tǒng)中，其PLC的硬體和軟體作為CNC裝置的基本功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，並且其性能指標(biāo)也由CNC系統(tǒng)來確定。內(nèi)置型PLC與所從屬CNC裝置之間的信號(hào)傳送均在其內(nèi)部進(jìn)行，無需另外連線。與被控機(jī)床開關(guān)量信號(hào)的傳送通過CNC裝置的I/O電路完。

內(nèi)置型PLC既可以與CNC共用一個(gè)CPU，也可以設(shè)置專用的CPU，其邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖7.4所示。與CNC共用CPU可以進(jìn)一步更充分地利用CNC裝置中微處理器的餘力來完成PLC的功能，並且使用元器件較少，但I(xiàn)/O點(diǎn)數(shù)不可能太多，功能也有限，一般用於中低檔數(shù)控系統(tǒng)。後者由於有自己的CPU來處理PLC的功能，功能較強(qiáng)，速度較快；用於規(guī)模較大，邏輯複雜，動(dòng)作速度要求高的數(shù)控系統(tǒng)中。由於內(nèi)置型PLC與CNC一體化設(shè)計(jì)，與CNC內(nèi)部直接處理數(shù)據(jù)的能力強(qiáng)，外部接線簡單，可靠性高，整體造價(jià)較低，具有較高的性能/價(jià)格比。7.2JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)及其在CJK0630A車床上的應(yīng)用7.2.1JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)簡介

JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)（簡易）型數(shù)控系統(tǒng)，主要用於經(jīng)濟(jì)型和教學(xué)型數(shù)控車床的控制，也可以用作普通車床的數(shù)控改造，其外部結(jié)構(gòu)如圖7.5所示。（a）外觀結(jié)構(gòu)（b）後面板結(jié)構(gòu)圖7.5JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)

該數(shù)控系統(tǒng)採用一體化結(jié)構(gòu)，操作面板、電源、CNC控制電路以及步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路全部安裝在一個(gè)控制箱中。在操作面板上裝有4排LED數(shù)碼管顯示器；在顯示器右邊有40個(gè)編輯鍵，8個(gè)狀態(tài)鍵，8個(gè)控制鍵。在控制箱後面板上，裝有交流220V電源插座、螺紋插座、T功能插座、M.S功能插座、X電機(jī)插座和Z電機(jī)插座。

系統(tǒng)採用交流220V電源供電，螺紋插座用來連接主軸編碼器，T功能插座用於刀架電機(jī)的控制和接收刀位開關(guān)信號(hào)，S.M功能插座用來控制主軸換檔和主軸啟動(dòng)/停止等輔助控制，X電機(jī)插座和Z電機(jī)插座為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的輸出，用來驅(qū)動(dòng)X軸和Z軸步進(jìn)電機(jī)。各插座的介面定義如圖7.6所示。圖7.6JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)介面定義7.2.2CJK0630A數(shù)控車床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制要求

CJK0630A數(shù)控車床是具有兩軸聯(lián)動(dòng)功能的教學(xué)型數(shù)控車床，其結(jié)構(gòu)比較簡單，傳動(dòng)系統(tǒng)如圖7.7所示。該數(shù)控車床的主軸由3KW交流非同步電動(dòng)機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)分檔變速；在主軸的尾端裝有主軸編碼器G1，用於實(shí)現(xiàn)螺紋加工。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)採用步進(jìn)電機(jī)M4、M5驅(qū)動(dòng)，SQ1～SQ4分別為X軸和Y軸的正負(fù)向限位開關(guān)。該機(jī)床採用四工位刀架，M3為刀架電機(jī)，T1～T4為四個(gè)刀位檢測開關(guān)。M2為冷卻液水泵電機(jī)。圖7.7CJK0630A數(shù)控車床機(jī)械傳動(dòng)圖CJK0630A數(shù)控車床主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止分別由JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)的M03、M04、M05指令控制，主軸轉(zhuǎn)速採用手動(dòng)機(jī)械換檔控制。通過主軸編碼器回饋，同步進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)螺紋加工。冷卻液的開關(guān)由旋鈕SA1控制，當(dāng)SA1閉合時(shí)，主軸啟動(dòng)則冷卻液開，主軸停止則冷卻液關(guān)；當(dāng)SA1斷開時(shí)，關(guān)閉冷卻液。刀架的位置由程式中的T1、T2、T3、T4指令指定。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給，也可連續(xù)自動(dòng)進(jìn)給，由JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)控制。如果超過正負(fù)向限位，則產(chǎn)生報(bào)警。7.2.3控制電路工作原理機(jī)床控制電路如圖7.8、圖7.9所示，共有三臺(tái)交流非同步電動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。由於該機(jī)床的輔助動(dòng)作比較簡單，其輔助動(dòng)作的控制採用繼電器邏輯實(shí)現(xiàn)。圖7.8CJK0630A數(shù)控車床電氣原理圖圖7.9CJK0630A數(shù)控車床CNC介面電路

在圖7.8中，主回路三相交流電源通過自動(dòng)空氣開關(guān)QF1引入，經(jīng)過自動(dòng)空氣開關(guān)QF2、QF3、QF4分配給M1、M2、M3交流非同步電動(dòng)機(jī)回路。自動(dòng)空氣開關(guān)具有短路保護(hù)功能，並能夠起到一定的超載保護(hù)功能。KM1、KM2為主軸電動(dòng)機(jī)M1的正傳和反轉(zhuǎn)接觸器，KM3為冷卻電動(dòng)機(jī)M2的啟動(dòng)和停止接觸器，KM4、KM5為刀架電動(dòng)機(jī)M3的正傳和反轉(zhuǎn)接觸器。FR1、FR2為M1和M3電動(dòng)機(jī)的超載保護(hù)熱繼電器，由於刀架電機(jī)工作時(shí)間很短，所以不需要加超載保護(hù)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在總電源回路和主軸電動(dòng)機(jī)回路中設(shè)置了阻容吸收電路FV1、FV2。

控制回路採用交流220V電源供電，控制回路電源通過單相自動(dòng)空氣開關(guān)QF5引入，分別向交流接觸器控制回路和CNC裝置供電，並具有短路保護(hù)和超載保護(hù)作用。

接觸器KM1、KM2的線圈分別受小型繼電器KA1、KA2的常開點(diǎn)控制，當(dāng)執(zhí)行到含有M3指令的程式段時(shí)，CNC裝置發(fā)出信號(hào)，使繼電器KA1吸合，KA1常開點(diǎn)閉合使接觸器KM1線圈得電吸合併自鎖，接通主軸電動(dòng)機(jī)M1的三相交流電源，主軸正轉(zhuǎn)啟動(dòng)；當(dāng)執(zhí)行到含有M4指令的程式段時(shí)，CNC裝置發(fā)出信號(hào)使繼電器KA2吸合，KA2常開點(diǎn)閉合使接觸器KM2線圈得電吸合併自鎖，接通主軸電動(dòng)機(jī)M1的三相交流電源，主軸反轉(zhuǎn)啟動(dòng)。當(dāng)執(zhí)行到含有M5指令的程式段時(shí)，CNC裝置發(fā)出信號(hào)，使繼電器KA3吸合，KA3常閉點(diǎn)斷開使接觸器KM1或KM2線圈斷電釋放，切斷主軸電動(dòng)機(jī)M1的三相交流電源，主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)；

接觸器KM3、KM4的線圈分別受小型繼電器KA4、KA5的常開點(diǎn)控制，當(dāng)需要更換刀具時(shí)，CNC裝置發(fā)出信號(hào)，首先使繼電器KA4吸合，KA4常開點(diǎn)閉合使接觸器KM3線圈得電吸合，接通刀架電動(dòng)機(jī)M3的三相交流電源，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，使刀架抬起旋轉(zhuǎn)；當(dāng)?shù)都苄D(zhuǎn)到預(yù)定的刀具位置時(shí)，CNC裝置發(fā)出信號(hào)使繼電器KA4釋放、KA5吸合，接觸器KM3線圈斷電釋放、接觸器KM4線圈得電吸合，刀架電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，使刀架落下並鎖緊；延時(shí)1～2秒後，繼電器KA5釋放，接觸器KM4線圈斷電釋放，刀架電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，換刀結(jié)束。SA1為冷卻液手動(dòng)開關(guān)。SA1閉合後，主軸啟動(dòng)（KM1或KM2吸合）時(shí)，接觸器KM5得電吸合，接通冷卻泵電機(jī)電源，冷卻泵開始工作；主軸停止（KM1和KM2均斷開）時(shí)，接觸器KM5斷電，冷卻泵停止工作。SA1斷開時(shí)，接觸器KM5線圈回路切斷，冷卻電機(jī)不工作，冷卻泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

在圖7.9中，T1、T2、T3、T4是四個(gè)刀具位置檢測開關(guān)（或霍爾感測器），分別接CNC裝置T功能插座的刀位信號(hào)輸入端T10、T20、T30、T40。兩個(gè)座標(biāo)的正向限位開關(guān)SQ1、SQ3串聯(lián)後接CNC裝置的正限位輸入端；兩個(gè)座標(biāo)的負(fù)向限位開關(guān)SQ2、SQ4串聯(lián)後接CNC裝置的負(fù)限位輸入端。主軸旋轉(zhuǎn)編碼器的5根信號(hào)線與CNC裝置的螺紋輸入相連接，CNC裝置的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)輸出與X軸、Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相連接。CNC裝置的M功能M3、M4、M5和T功能刀架正轉(zhuǎn)、刀架反轉(zhuǎn)分別經(jīng)過小型繼電器KA1～KA5轉(zhuǎn)接後，去控制交流接觸器線圈，從而實(shí)現(xiàn)了CNC直流24V弱信號(hào)到交流220V強(qiáng)信號(hào)的轉(zhuǎn)接介面。

通過上述分析可以看出，對(duì)於輔助動(dòng)作比較簡單的數(shù)控機(jī)床，只需要用少量的接觸器、繼電器元件，配合數(shù)控系統(tǒng)介面邏輯，即可實(shí)現(xiàn)輔助動(dòng)作的控制。在CJK0630A數(shù)控機(jī)床中，輔助M功能M03、M04、M05通過接觸器邏輯實(shí)現(xiàn)，沒有使用S功能，T功能由數(shù)控系統(tǒng)完成，當(dāng)執(zhí)行換刀指令時(shí)，在JBK-30型數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行邏輯處理，控制刀架電機(jī)完成換刀動(dòng)作。7.3FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)及其在CK6150數(shù)控車床上的應(yīng)用7.3.1FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)簡介

FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)是由西班牙FAGOR公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。它有T、TG、TS三個(gè)系列，其中T系列為車床系列，TG系列為帶有圖形功能的車床數(shù)控系統(tǒng)，TS為具有刀具自旋轉(zhuǎn)功能的車床數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)最多可驅(qū)動(dòng)六個(gè)坐標(biāo)軸，也可接受六個(gè)軸的回饋輸入，可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)直線插補(bǔ)，兩軸直線或圓弧插補(bǔ)。系統(tǒng)解析度為1um，機(jī)床定位精度接近2um。系統(tǒng)中G00的最大進(jìn)給速度可達(dá)到65.535m/min，可控最大主軸轉(zhuǎn)速為9999r/min。刀庫容量可達(dá)99把刀具。8吋單色CRT顯示器可進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)圖形顯示。經(jīng)RS232和RS485通信介面可以很容易地實(shí)現(xiàn)通訊和聯(lián)網(wǎng)。具有完備的刀具補(bǔ)償功能。有較強(qiáng)的錯(cuò)誤診斷能力。還具有探針輸入功能。1.外形結(jié)構(gòu)

FAGOR8025/8030車床數(shù)控系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)如圖7.10所示，其操作面板、CRT顯示器和系統(tǒng)主板採用一體化集成安裝結(jié)構(gòu)。該數(shù)控系統(tǒng)分為不帶PLC型和內(nèi)裝PLC型兩種形式，其前面板及外形結(jié)構(gòu)相同，後面板I/O連接器數(shù)量不同，不帶PLC型只有I/O1、I/O2兩個(gè)I/O連接器，而內(nèi)裝PLC型有I/O1、I/O2、I/O3三個(gè)I/O連接器，如圖7.11所示。下麵以不帶PLC型FAGOR8025/8030車床數(shù)控系統(tǒng)（圖7.11a）為例，介紹在CK6150數(shù)控車床上的應(yīng)用。圖7.10FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)（a）不帶PLC型(b)內(nèi)裝PLC型圖7.11FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)後面板佈局2.I/O連接器配置

FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)採用交流220V電源供電，靠後備鋰電池保存機(jī)床參數(shù)等資訊。該系統(tǒng)有兩個(gè)I/O連接器，5個(gè)編碼器輸入插座，1個(gè)電子手輪輸入插座，兩個(gè)串行通信介面。（1）I/O連接器

I/O連接器I/O1、I/O2用來向伺服驅(qū)動(dòng)裝置提供模擬電壓給定信號(hào)，向外部獨(dú)立型PLC輸出輔助功能信號(hào)，接受外部PLC送來的同步信號(hào)等，配置如圖7.12所示。其中M1～M15為M功能解碼輸出；MST01～MST80為M、S、T功能BCD編碼輸出，與三個(gè)選通信號(hào)MStrobe、SStrobe、TStrobe配合，實(shí)現(xiàn)輔助功能輸出控制；EmergencyStop為外部輸入到CNC的急停信號(hào)，F(xiàn)eedHold為外部輸入到CNC的進(jìn)給保持信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)均為低電平有效。（a）I/O1(b)I/O2圖7.12FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)I/O連接器（2）位置回饋編碼器輸入A1、A2、A3、A4A1～A4為4個(gè)位置回饋旋轉(zhuǎn)編碼器輸入15針插座，其中A1用於X軸回饋，A2用於刀具或第4軸回饋，A3用於Z軸回饋，A4用於C軸或第3軸回饋。插針排列如圖7.13(a)所示。（a）A1～A4插針排列(b)A5插針排列(c)A6插針排列圖7.13編碼輸入信號(hào)連接器（3）主軸編碼器輸入A5A5為主軸編碼器輸入插座，用於主軸轉(zhuǎn)速回饋和螺紋加工，插針排列如圖7.13(b)所示。（4）電子手輪輸入A6A6為電子手輪輸入插座，1～5號(hào)插針用於手輪輸入，6～8號(hào)插針用於探針輸入，插針排列如圖7.13(c)所示。7.3.2CK6150數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制要求1.機(jī)床結(jié)構(gòu)

CK6150數(shù)控車床外形結(jié)構(gòu)如圖7.14所示，床身最大回轉(zhuǎn)直徑500mm，刀架最大回轉(zhuǎn)直徑300mm，主軸轉(zhuǎn)速範(fàn)圍36～1600rpm(12檔)，橫向X軸進(jìn)給速度0～2m/min，縱向Z軸進(jìn)給速度0～4m/min，橫向X軸快移速度3m/min，縱向Z軸快移速度6m/min，公制螺紋範(fàn)圍0.01～48mm，英制螺紋範(fàn)圍1～200t/in，刀具容量4把，主軸電機(jī)功率7.5kw，縱向Z最小設(shè)定單位0.001mm，橫向X最小設(shè)定單位0.001mm。

圖7.146150數(shù)控車床外形結(jié)構(gòu)

機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖7.15所示。該數(shù)控車床的主軸由7.5KW雙速交流非同步電動(dòng)機(jī)M2驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)三檔變速，電磁離合器YA1、YA2自動(dòng)兩檔變速，共有12檔速度；在主軸的尾端裝有主軸編碼器G1，用於速度測量和螺紋加工。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)採用1FT-5064型交流伺服電機(jī)M6、M7驅(qū)動(dòng)，SQ1～SQ6分別為X軸和Y軸的正負(fù)向限位開關(guān)和參考點(diǎn)開關(guān)。該機(jī)床採用四工位刀架，M4為刀架電機(jī)，T1～T4為四個(gè)刀位檢測開關(guān)。M1為油泵電機(jī)，M3為冷卻液水泵電機(jī)，M5為潤滑泵電機(jī)。圖7.15CK6150型數(shù)控車床傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

此外，CK6150型數(shù)控車床卡盤的卡緊與鬆開，尾座套筒的伸出與退回都是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的。圖7.16所示是CK6150數(shù)控車床得液壓系統(tǒng)原理圖。圖7.16CK6150型數(shù)控車床液壓系統(tǒng)原理圖2.控制要求液壓啟動(dòng)/停止由按鈕SB3、SB2控制，NC啟動(dòng)/停止由按鈕SB5、SB4控制。SA1為照明開關(guān)，SB1位外部急停按鈕。當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，按下急停按鈕SB1，切斷控制回路電源。機(jī)床控制面板如圖7.17所示。圖7.17CK6150型數(shù)控車床控制面板圖CK6150數(shù)控車床的主軸採用分檔變速，三個(gè)手動(dòng)檔與四個(gè)自動(dòng)檔組成12檔變速，四個(gè)自動(dòng)檔由MDI按鍵或零件程式中的S1、S2、S3、S4指令指定，主軸啟動(dòng)/停止受M03/M05指令控制。液壓卡盤的鬆開、夾緊由腳踏開關(guān)SQ1控制。液壓尾座可點(diǎn)動(dòng)伸出（點(diǎn)動(dòng)左SB7）、連續(xù)伸出（連續(xù)左SB6）、連續(xù)退回（連續(xù)右SB8）。

冷卻液的開關(guān)由旋鈕SA2和程式中的M08（開）、M09（關(guān)）共同控制。導(dǎo)軌潤滑採用定時(shí)控制，每30分鐘一次，每次10秒鐘。刀架的位置由MDI按鍵或程式中的T1、T2、T3、T4指令指定。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給，也可連續(xù)自動(dòng)進(jìn)給，由CNC裝置控制。如果超過正負(fù)向限位，則產(chǎn)生急停報(bào)警，按住超程解除按鈕SB9後才可再進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)。7.3.3控制電路工作原理由於CK6150數(shù)控車床採用不含PLC的FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)，因此需要獨(dú)立配置可編程控制器來完成輔助功能的控制。機(jī)床控制電路如圖7.18、圖7.19、圖7.20所示，系統(tǒng)採用了西門子S7-200型可編程控制器和西門子611A伺服驅(qū)動(dòng),其基本工作原理如下。1.主電路在圖7.18所示的主回路中，三相交流電源通過自動(dòng)空氣開關(guān)QF1引入，經(jīng)過自動(dòng)空氣開關(guān)QF2～QF6分配給M1～M5交流非同步電動(dòng)機(jī)回路。自動(dòng)空氣開關(guān)具有短路保護(hù)功能，並能夠起到一定的超載保護(hù)功能。KM1液壓電動(dòng)機(jī)M1的啟動(dòng)和停止控制接觸器。KM2、KM3、KM4為主軸電動(dòng)機(jī)M2的高速、低速控制接觸器；當(dāng)KM2吸合KM3、KM4斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2定子繞組三角形接法，4極低速運(yùn)行；當(dāng)KM3、KM4吸合KM2斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)M2定子繞組呈雙星形接法，2極高速運(yùn)行。KM5為冷卻泵電動(dòng)機(jī)M3的啟動(dòng)和停止控制接觸器。KM6、KM7為刀架電動(dòng)機(jī)M4的正傳和反轉(zhuǎn)控制接觸器。KM8為潤滑泵電動(dòng)機(jī)M5的啟動(dòng)和停止控制接觸器。FR1、FR2、FR3分別為M1、M2、和M3電動(dòng)機(jī)的超載保護(hù)熱繼電器，由於刀架電機(jī)和潤滑電機(jī)的工作時(shí)間很短，所以不需要加超載保護(hù)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在總電源回路和主軸電動(dòng)機(jī)回路中設(shè)置了阻容吸收電路FV1～FV６。圖7.18CK6150型數(shù)控車床主電路原理圖2.CNC介面和控制電路在圖7.19所示的伺服驅(qū)動(dòng)介面、CNC介面和控制回路中，伺服驅(qū)動(dòng)器採用三相交流380V電源供電，三相電源經(jīng)過自動(dòng)空氣開關(guān)QF7引入；FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)採用單相交流220V電源供電，電源經(jīng)過自動(dòng)空氣開關(guān)QF8引入；控制回路採用單相交流110V電源供電，380V電源經(jīng)過自動(dòng)空氣開關(guān)QF9引入後，經(jīng)過變壓器T1和自動(dòng)空氣開關(guān)QF10向控制回路供電。KM9為伺服驅(qū)動(dòng)器、FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)、S7-200可編程控制器和直流24V開關(guān)電源的電源控制接觸器。圖7.19CK6150型數(shù)控車床CNC介面和控制電路原理圖

在系統(tǒng)上電後，按下液壓啟動(dòng)按鈕SB3，接觸器KM1吸合併自鎖，液壓泵電動(dòng)機(jī)得電運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓泵開始工作。這時(shí)，按下NC啟動(dòng)按鈕SB5，接觸器KM9吸合併自鎖，伺服驅(qū)動(dòng)器、FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)、S7-200可編程控制器和直流24V開關(guān)電源同時(shí)得電，F(xiàn)AGOR8025數(shù)控系統(tǒng)開始自檢。FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)自檢結(jié)束後，在沒有外部急停報(bào)警的情況下，從I/O1口輸出X軸、Z軸伺服使能信號(hào)，通過繼電器KA1、KA2轉(zhuǎn)接後，分別接通611A伺服驅(qū)動(dòng)電源的X331、X332的65、9端，伺服驅(qū)動(dòng)器開始工作。當(dāng)手動(dòng)方式點(diǎn)動(dòng)或者自動(dòng)執(zhí)行程式進(jìn)給時(shí)，如果來自PLC的進(jìn)給保持信號(hào)無效，則數(shù)控系統(tǒng)通過I/O1口輸出0～±10V模擬給定信號(hào)到611A伺服驅(qū)動(dòng)器的X331、X332的56、14端，伺服驅(qū)動(dòng)器開始工作，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)M6、M7運(yùn)轉(zhuǎn)。

在伺服電動(dòng)機(jī)上，同軸安裝這兩個(gè)感測器，一個(gè)是轉(zhuǎn)子位置和速度測量感測器T，另一個(gè)是用於位置測量回饋的旋轉(zhuǎn)編碼器G。兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度回饋信號(hào)分別接到伺服驅(qū)動(dòng)器的X311、X313上，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的位置測量回饋信號(hào)接到FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)的A1、A3介面。

在伺服驅(qū)動(dòng)器上電後，也要進(jìn)行自檢，如果自檢正常，則輸出一個(gè)伺服準(zhǔn)備好開關(guān)信號(hào)給PLC的I2.0。在工作過程中，611A具有電機(jī)過熱、超載保護(hù)功能，一旦檢測到電機(jī)過熱，過熱保護(hù)繼電器動(dòng)作，向PLC的2.1發(fā)出伺服熱保護(hù)信號(hào)，產(chǎn)生急停報(bào)警。其他象主軸啟/停、換檔，換刀等輔助動(dòng)作，由FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)通過I/O1、I/O2介面將工作方式、輔助控制命令等信號(hào)送到PLC處理控制。有些輔助動(dòng)作的處理控制結(jié)果還要由PLC送回?cái)?shù)控系統(tǒng)的I/O1介面，通過進(jìn)給保持信號(hào)同步程式的執(zhí)行。3.PLC控制電路在圖7.20所示的PLC控制電路中，由西門子S7-200系列CPU226（24V直流入/16繼電器出）主單元和EM221（8入）直流24V輸入擴(kuò)展單元、EM222（8處）繼電器輸出擴(kuò)展單元組成56點(diǎn)可編程控制器。圖7.20CK6150型數(shù)控車床PLC控制電路原理圖

冷卻液開關(guān)SA2、尾座操作按鈕SB6～SB8、超程解除按鈕SB9分別接至PLC的I0.0～I(xiàn)0.4輸入端，用於手動(dòng)操作。液壓電機(jī)控制接觸器輔助觸點(diǎn)KM1、主軸電機(jī)控制接觸器輔助觸點(diǎn)KM2、KM3分別接至PLC的I0.5～I(xiàn)0.7輸入端，用於連鎖控制。四個(gè)刀位檢測開關(guān)T1～T4分別接至PLC的I1.0～I(xiàn)0.3輸入端，用於換刀控制。X軸、Z軸正負(fù)向限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ4、SQ5分別接至PLC的I1.4、I1.5輸入端，用於超程報(bào)警。“伺服準(zhǔn)備好”信號(hào)和“電機(jī)過熱”信號(hào)分別接至PLC的I2.0、I2.1輸入端，用於急停報(bào)警。來自FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)的MST選通信號(hào)、工作方式(JOG)信號(hào)、NC急停信號(hào)和複位信號(hào)、輔助功能編碼(MST01～MST20)信號(hào)分別接至PLC的I2.2～I(xiàn)2.7、I3.0～I(xiàn)3.5輸入端，用於輔助功能控制。各輸入接點(diǎn)的公共端1M～4M均與24V開關(guān)電源的輸出負(fù)極M相連。

可編程控制器的繼電器輸出Q0.0～Q0.7的公共端COM1與控制電路的6號(hào)線相連，當(dāng)油泵電機(jī)啟動(dòng)後，控制回路的交流110V電源加到COM1端，通過PLC的繼電器輸出Q0.0～Q0.5分別控制接觸器線圈KM2～KM8的通電/斷電，從而控制主軸電機(jī)高速/低速、冷卻電機(jī)啟動(dòng)/停止、刀加正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、潤滑電機(jī)啟動(dòng)/停止。PLC的繼電器輸出Q1.0～Q1.7的公共端COM2和Q2.0～Q2.7的公共端COM3與24V開關(guān)電源的正極輸出L+相連。PLC的繼電器輸出Q1.0～Q1.6分別控制24V直流電磁閥YV1～YV4和電磁鐵YA1～YA3的通電/斷電，從而控制卡盤的夾緊/鬆開、位座的伸出/退回、主軸高速檔/低速檔和主軸的剎車制動(dòng)。PLC的繼電器輸出Q2.0～Q2.4分別控制24V指示燈HL2～HL6的通電/斷電，分別用於急停報(bào)警、卡盤夾緊、X軸超程、Z軸超程和尾座頂緊的指示。PLC的繼電器輸出Q2.5與FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)I/O1口的14端相連，用於將外部急停報(bào)警信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)。PLC的繼電器輸出Q2.6與FAGOR8025數(shù)控系統(tǒng)I/O1口的15端相連，用於將進(jìn)給保持信號(hào)送給數(shù)控系統(tǒng)，同步零件程式的執(zhí)行。7.3.4PLC程式分析由於CK6150數(shù)控機(jī)床的輔助控制邏輯較為複雜，單純用接觸器——繼電器控制邏輯實(shí)現(xiàn)比較困難，因此，採用了獨(dú)立於CNC之外的S7-200可編程控制器來完成輔助控制功能。遵循結(jié)構(gòu)化程式設(shè)計(jì)原則，PLC程式採用“主程序—副程式”結(jié)構(gòu)，以方便PLC程式的設(shè)計(jì)和調(diào)試。1．PLC主程序如圖7.21所示，是CK6150數(shù)控車床的PLC控制主程序梯形圖。在PLC主程序中，首先把CNC送到IB3口的MST代碼（BCD碼）與63(3FH)相與，遮罩掉I3.6、I3.7，並在M選通、S選通、T選通信號(hào)的作用下，分別將M代碼轉(zhuǎn)存到MB1，S代碼轉(zhuǎn)存到MB2，T代碼轉(zhuǎn)存到MB3；然後，無條件（SM0.0）調(diào)用主軸控制副程式、液壓卡盤和液壓尾座控制副程式、冷卻和潤滑控制副程式、換刀控制副程式、急停和進(jìn)給保持控制副程式。

圖7.21數(shù)控車床PLC控制主程序梯形圖2．主要副程式（1）液壓卡盤和液壓尾座控制副程式如圖7.22所示，是液壓卡盤和液壓尾座控制副程式梯形圖，這兩種動(dòng)作的控制都是在手動(dòng)JOG(I2.5)方式下進(jìn)行的。液壓卡盤的夾緊和鬆開是由一個(gè)腳踏開關(guān)SQ7控制的，第一次踩踏時(shí)夾緊，第二次踩踏時(shí)鬆開，因此限將這個(gè)開關(guān)的閉合信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈衝信號(hào)M0.3，然後用M0.3脈衝去置位Q1.0、複位Q1.1，或者複位Q1.0、置位Q1.1。

圖7.22數(shù)控車床液壓卡盤、液壓尾座控制PLC副程式梯形圖

液壓尾座的伸出和退回由按鈕SB6(I0.1)、SB7(I0.2)、SB8(I0.3)控制的。按下連續(xù)左按鈕I0.1，尾座伸出Q1.0有效並自鎖，同時(shí)解除Q1.1，尾座連續(xù)伸出。按下點(diǎn)動(dòng)左按鈕I0.2，尾座伸出Q1.0有效，同時(shí)解除Q1.1，尾座伸出；放開I0.2後尾座伸出Q1.0解除，尾座停止。按下連續(xù)右按鈕I0.3，尾座退回Q1.1有效並自鎖，同時(shí)解除Q1.0，尾座連續(xù)退回。（2）冷卻和潤滑控制副程式如圖7.23所示，是冷卻和潤滑控制副程式梯形圖。冷卻液的開/關(guān)由手動(dòng)旋鈕SA2(I0.0)和M功能指令M08、M09共同控制。自動(dòng)方式（I2.5=0）時(shí)，在M選通信號(hào)的作用下，判斷MB1的值，如果等於08則置位M0.2，如果等於09則複位M0.2；手動(dòng)旋鈕SA2閉合(I0.0=1)或者M(jìn)0.2=1時(shí)，開啟冷卻Q0.2。潤滑泵的啟動(dòng)/停止由定時(shí)器T37（10秒鐘）、T38（30分鐘）控制，在無急停報(bào)警的情況下，每30分鐘潤滑一次，每次10秒鐘。

圖7.23數(shù)控車床冷卻和潤滑控制PLC副程式梯形圖（3）換刀控制副程式如圖7.24所示，是自動(dòng)換刀控制副程式梯形圖。在這個(gè)梯形圖中，用字節(jié)傳送指令將當(dāng)前刀位開關(guān)信號(hào)(I1.0I～1.3)轉(zhuǎn)換成當(dāng)前刀號(hào)代碼(１～４)存放到MB4中；當(dāng)執(zhí)行換刀指令時(shí)，在T選通信號(hào)的作用下，將指令刀號(hào)MB5與當(dāng)前刀號(hào)MB4進(jìn)行比較，如果不相等則置位Q0.3、複位Q0.4，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，刀架開始旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)到預(yù)定的刀位時(shí)，當(dāng)前刀號(hào)MB4與指令刀號(hào)MB3相等，複位Q0.3，刀架停止正轉(zhuǎn)，在Q0.3閉合脈衝的作用下，置位Q0.4，刀架電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，刀架下降鎖緊，定時(shí)器T40延時(shí)4秒鐘後，複位Q0.4，換刀動(dòng)作結(jié)束。

圖7.24數(shù)控車床換刀控制PLC副程式梯形圖（4）主軸控制副程式如圖7.25所示，是主軸啟動(dòng)/停止和換檔變速控制副程式梯形圖。首先執(zhí)行S指令，指定速度檔，然後執(zhí)行M03指令，置位M0.1，根據(jù)S指令代碼MB2不同，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出組合（Q0.0、Q0.1、Q1.4、Q1.5），從而啟動(dòng)主軸按預(yù)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)執(zhí)行M05、M30（MB1=48）指令，或者NC複位急停時(shí)，複位M0.1，主軸停止並接通剎車制動(dòng)電磁鐵（Q1.6）制動(dòng)，制動(dòng)2秒鐘後，定時(shí)器T41動(dòng)作，釋放制動(dòng)電磁鐵。

圖7.25數(shù)控車床主軸控制PLC副程式梯形圖（5）急停、進(jìn)給保持控制副程式如圖7.26所示，是急停處理和進(jìn)給保持處理副程式梯形圖。急停和進(jìn)給保持是PLC送給CNC的輔助控制回饋、同步信號(hào)，用來回饋輔助控制資訊，同步NC程式的執(zhí)行當(dāng)出現(xiàn)X軸越限、Z軸越限、油泵超載、主軸超載或者伺服電機(jī)過熱時(shí)，發(fā)出急?？刂菩盘?hào)Q2.5，通知CNC進(jìn)行急停處理。在換刀（Q0.3=1或Q0.4=1）期間，或者在自動(dòng)工作方式而主軸還沒有啟動(dòng)的情況下，向CNC發(fā)進(jìn)給保持信號(hào)（Q2.6），使CNC鎖定進(jìn)給，保證機(jī)床安全。圖7.26數(shù)控車床急停、進(jìn)給保持控制PLC副程式梯形圖

通過對(duì)上述應(yīng)用實(shí)例分析，可以清楚地看出獨(dú)立型PLC與CNC裝置之間、PLC與機(jī)床側(cè)的開關(guān)量之間的I/O連接關(guān)係；並通過PLC程式設(shè)計(jì)，使CNC裝置、PLC和數(shù)控機(jī)床三者緊密結(jié)合在了一起，形成一個(gè)有機(jī)整體，從而控制數(shù)控機(jī)床有條不紊地工作。7.4數(shù)控系統(tǒng)中PLC的資訊交換及M、S、T功能的實(shí)現(xiàn)7.4.1基本概念數(shù)控系統(tǒng)中PLC的資訊交換，就是以PLC為中心，在CNC、PLC和機(jī)床之間的資訊傳遞。PLC通過資訊交換，接受CNC的命令資訊，實(shí)現(xiàn)輔助功能的控制；並把邏輯控制的結(jié)果資訊，送回CNC裝置，以同步零件程式的執(zhí)行。PLC與CNC之間交換的資訊分兩個(gè)方向進(jìn)行，其中由CNC發(fā)給PLC的資訊主要包括各種功能代碼M、S、T的資訊，手動(dòng)/自動(dòng)方式資訊，各種使能資訊等。而由PLC發(fā)給CNC的資訊主要包括M、S、T功能的應(yīng)答資訊和各坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的機(jī)床參考點(diǎn)資訊等。

同樣，PLC與機(jī)床之間交換的資訊也分為兩部分。由PLC向機(jī)床發(fā)送的資訊主要是控制機(jī)床的執(zhí)行元件，如電磁閥、接觸器、繼電器的通/斷電，以及各種狀態(tài)指示和故障報(bào)警等。而由機(jī)床向PLC發(fā)送的資訊，主要包括機(jī)床操作面板上各種開關(guān)、按鈕等信號(hào)，以及各運(yùn)動(dòng)部件的限位資訊。例如機(jī)床的起動(dòng)/停止、主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/停止、冷卻液的開/關(guān)、倍率選擇、各坐標(biāo)軸點(diǎn)動(dòng)以及刀架卡盤夾緊/鬆開等資訊，還有各運(yùn)動(dòng)部件的限位開關(guān)，主軸狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)和伺服系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備信號(hào)等。7.4.2內(nèi)裝型PLC及其資訊交換對(duì)於不同數(shù)控系統(tǒng)，所交換的資訊內(nèi)容、數(shù)量各有區(qū)別，但基本思路和作用是一樣的。對(duì)於不帶PLC的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，其資訊交換主要以開關(guān)量為主，並通過CNC與PLC之間的硬體I/O連接來實(shí)現(xiàn)。對(duì)於內(nèi)裝PLC的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，不僅可通過開關(guān)量交換資訊，而且可以通過內(nèi)部寄存器、內(nèi)部標(biāo)誌位等交換資訊，而且在CNC與PLC之間無需硬體I/O連接，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可靠性高，是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的方向。

以內(nèi)部帶PLC的FAGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)為例，其內(nèi)部輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為41/24點(diǎn)，其PLC資訊交換情況介紹如下。1.資源配置該系統(tǒng)內(nèi)部與PLC有關(guān)的信號(hào)流向及與外部的連接如圖7.27所示。其中輸入信號(hào)I42～I(xiàn)104是CNC→PLC的內(nèi)部開關(guān)量信號(hào)，O25～O64是PLC→CNC的內(nèi)部開關(guān)量信號(hào)。另外，輸入信號(hào)I1～I(xiàn)41是機(jī)床→PLC的外部開關(guān)量信號(hào)，O1～O24是PLC→機(jī)床的外部開關(guān)量信號(hào)。I/O1、I/O2、I/O3式安裝在FAGOR8025/8030CNC背部的3個(gè)連接器，用來輸入/輸出CNC和PLC的信號(hào)。I/O3上有CNC模擬電壓輸出，為主軸和6個(gè)進(jìn)給軸的伺服系統(tǒng)提供模擬控制電壓。O1～O24共24個(gè)外部輸出信號(hào)全部安排在I/O1上；而I1～I(xiàn)41共41個(gè)外部輸入信號(hào)分散安排在三個(gè)連接器上，其中I/O1上有8個(gè)輸入信號(hào)，I/O2上有32個(gè)輸入信號(hào)，I/O3上有—個(gè)輸入信號(hào)。

圖7.27

除了上述CNC與PLC之間、PLC與機(jī)床之間的開關(guān)量I/O信號(hào)之外，F(xiàn)AGOR8025/8030數(shù)控系統(tǒng)的PLC還有以下內(nèi)部資源：①2047個(gè)標(biāo)誌器(內(nèi)部繼電器)；②255個(gè)16位寄存器；③32個(gè)計(jì)時(shí)器(可選擇計(jì)時(shí)範(fàn)圍10ms～655s)④6個(gè)計(jì)數(shù)器(可逆計(jì)數(shù)範(fàn)圍-32768～+32767或0～65535)。2.內(nèi)部資源功能描述(1)PLC的內(nèi)部開關(guān)量輸入

PLC共有104個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)，用字母“I”後跟隨數(shù)字編號(hào)表示，如I1、I16等。其中I1～I(xiàn)41為41個(gè)外部開關(guān)量輸入信號(hào)，通過三個(gè)連接器與機(jī)床上的有關(guān)開關(guān)相連。另外，還有63個(gè)內(nèi)部邏輯輸入信號(hào)，通過內(nèi)部公共記憶體單元由CNC傳送給PLC，其編號(hào)對(duì)應(yīng)為I42～I(xiàn)104，其功能含義如表7.2所示。

表7.2PLC內(nèi)部開關(guān)量輸入信號(hào)(2)PLC的內(nèi)部開關(guān)量輸出

PLC共有64個(gè)開關(guān)量輸出信號(hào)，用字母“O”後跟隨數(shù)字編號(hào)表示，如O1、O16等。其中O1～O24為24個(gè)外部開關(guān)量輸出信號(hào)，通過連接器I/O1與機(jī)床上的執(zhí)行元件（電磁閥、接觸器、繼電器等）相連。另外，還有40個(gè)內(nèi)部邏輯輸出信號(hào)，通過內(nèi)部公共記憶體單元由PLC傳送給CNC，其編號(hào)對(duì)應(yīng)為O25～O64，其功能含義如表7.3所示。

表7.3PLC內(nèi)部開關(guān)量輸出信號(hào)（3）PLC的標(biāo)誌器標(biāo)誌器(內(nèi)部繼電器)實(shí)質(zhì)上就是記憶體的二進(jìn)位位，共有2047個(gè)標(biāo)誌器，用字母“M”後跟隨數(shù)字編號(hào)表示，如M1、M102等。由於PLC都配有後備電池，這樣當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)．標(biāo)誌器中的邏輯狀態(tài)仍然保持不變，如果希望啟動(dòng)時(shí)初始狀態(tài)為0，則可用指令來予以清除。

標(biāo)誌器分為兩大類，一類是具有預(yù)定的用途的；另一類是允許用戶使用的。具體分配如下：

M1～M512供用戶使用

M1801～M1964用於與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

M2001～M2003算術(shù)符號(hào)標(biāo)誌器

M2009～M2024時(shí)鐘標(biāo)誌器

M2046～M2047預(yù)置標(biāo)誌器（4）PLC的寄存器標(biāo)誌器(內(nèi)部繼電器)實(shí)質(zhì)上就是記憶體的二進(jìn)位位，共有2047個(gè)標(biāo)誌器，用字母“M”後跟隨數(shù)字編號(hào)表示，如M1、M102等。由於PLC都配有後備電池，這樣當(dāng)電源關(guān)斷時(shí)．標(biāo)誌器中的邏輯狀態(tài)仍然保持不變，如果希望啟動(dòng)時(shí)初始狀態(tài)為0，則可用指令來予以清除。標(biāo)誌器分為兩大類，一類是具有預(yù)定的用途的，另一類是允許用戶使用的。具體分配如下：

寄存器用於存放數(shù)據(jù)資訊，其編號(hào)用字母“R”後跟隨數(shù)字來表示。如R1、R105等。每個(gè)寄存器均為16位，允許存放數(shù)據(jù)範(fàn)圍為-32768～+32767(帶符號(hào))或0～65535(不帶符號(hào))。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)寄存器的分配如下：

R1～R100可供用戶使用的寄存器

R101～R164用於與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

R201～R203用於與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換4.CNC與PLC之間的資訊交換

PLC除了通過前面介紹的內(nèi)部輸入(I42～I(xiàn)104)、內(nèi)部輸出(O25～O64)端口與CNC之間進(jìn)行資訊交換外，還可以通過如下標(biāo)誌器、寄存器來實(shí)現(xiàn)與CNC交換數(shù)據(jù)的目的。(1)通過啟動(dòng)標(biāo)誌器，在CNC中產(chǎn)生報(bào)警、提示資訊。

PLC運(yùn)行時(shí)，可通過置位標(biāo)誌器M1801～M1899，在CNC中產(chǎn)生1～99號(hào)相關(guān)的資訊，並在CRT上進(jìn)行顯示。反之，清零標(biāo)誌器M1801～M1899，則相應(yīng)資訊被取消，CRT上顯示也消失。例如，假設(shè)PLC程式中編有指令：I12＝M1845，則表示當(dāng)外部輸入信號(hào)I12由低電平變?yōu)楦唠娖?上升沿有效)時(shí)，就將相應(yīng)標(biāo)誌器置位，即M1845=“1”，因而在CNC中產(chǎn)生第45號(hào)資訊，並在CRT上進(jìn)行顯示。反之，當(dāng)輸入脈衝信號(hào)I12由高電平變成低電平(下降沿)時(shí)，則相應(yīng)45號(hào)資訊消失。

可見，PLC中有99個(gè)標(biāo)誌器(M1801～M1899)可與CNC中99條資訊相對(duì)應(yīng)。一般情況下，CNC中前面的25個(gè)資訊(對(duì)應(yīng)標(biāo)誌器M1801～M1825)為關(guān)鍵資訊，它們表示了CNC執(zhí)行中的致命錯(cuò)誤，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)其中的錯(cuò)誤資訊時(shí)，CNC將中斷程式的執(zhí)行，並進(jìn)行相應(yīng)的處理；而當(dāng)出現(xiàn)其餘資訊(對(duì)應(yīng)標(biāo)誌器M1826～M1899)時(shí)，則不中斷CNC程式的執(zhí)行，僅在CRT上進(jìn)行顯示。(2)通過啟動(dòng)標(biāo)誌器，對(duì)CNC中變數(shù)進(jìn)行讀寫或修改。

PLC運(yùn)行時(shí)，通過置位標(biāo)誌器可對(duì)CNC裝置中一系列寄存器進(jìn)行讀寫操作。PLC中寄存器R101～R164用於存放CNC裝置中寄存器R1～R64的映像值。現(xiàn)通過啟動(dòng)相應(yīng)標(biāo)誌器，就可對(duì)CNC中寄存器R1～R64的內(nèi)容進(jìn)行讀寫或修改。標(biāo)誌器和寄存器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)係如表7.4所示。

表7.4標(biāo)誌器與寄存器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)係

通過啟動(dòng)標(biāo)誌器M1901～M1940，可以讀出CNC中寄存器R1～R40中的內(nèi)容，並存儲(chǔ)在PLC的寄存器R101～R140中。通過啟動(dòng)標(biāo)誌器M1941～M196，可以將PLC中寄存器R141～R164的內(nèi)容寫入CNC中相應(yīng)寄存器R41～R64中。在完成上述讀寫過程後，將相應(yīng)標(biāo)誌器進(jìn)行複位。(3)執(zhí)行M、S、T功能過程中，對(duì)R201～R203的內(nèi)容進(jìn)行更新。如果PLC正在執(zhí)行M、S、T功能，則CNC自動(dòng)將該功能對(duì)應(yīng)參數(shù)傳送到PLC的預(yù)定寄存器R201～R203中，其對(duì)應(yīng)關(guān)係如表7.5所示。

表7.5M、S、T功能與寄存器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)係

除以上介紹的數(shù)據(jù)交換途徑外，在該系統(tǒng)中還可以通過RS485組成的局部網(wǎng)路對(duì)標(biāo)誌器M1～M512中的內(nèi)容進(jìn)行讀/寫操作，以及通過PLC機(jī)器參數(shù)設(shè)置的手段來實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的交換?？傊ㄟ^上述實(shí)例可以看出，在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部CNC和PLC之間交換的數(shù)據(jù)內(nèi)容很多，也很複雜，並且還必須結(jié)合機(jī)床性能、操作編程以及機(jī)床參數(shù)來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和分析，只有這樣才能做到儘量合理完善。7.4.3M、S、T功能的實(shí)現(xiàn)

在數(shù)控系統(tǒng)中，M、S、T功能貫穿了CNC、PLC、伺服、機(jī)床等幾個(gè)極其重要的組成環(huán)節(jié)，而其功能的實(shí)現(xiàn)也是很典型和重要的。下麵對(duì)其實(shí)現(xiàn)過程分別進(jìn)行介紹。1.M功能的實(shí)現(xiàn)

M功能也叫輔助功能，用來控制主軸的正反轉(zhuǎn)及停止，主軸齒輪箱的變速，冷卻液的開關(guān)，卡盤的夾緊和鬆開，以及自動(dòng)換刀裝置的取刀和還刀等。

在M功能實(shí)現(xiàn)方式上，大致可以分為兩種。一種是開關(guān)量方式，即CNC將M功能代碼以開關(guān)量的方式送到PLC輸入介面，然後由PLC進(jìn)行邏輯處理，並輸出控制有關(guān)執(zhí)行元件動(dòng)作。另一種是寄存器方式，即CNC將M功能代碼直接傳送到PLC中相應(yīng)寄存器中，然後由PLC進(jìn)行邏輯處理，並輸出控制有關(guān)執(zhí)行元件動(dòng)作。後一種方法多用於內(nèi)裝型PLC。2．S功能的實(shí)現(xiàn)

S功能主要完成主軸轉(zhuǎn)速的控制，有S2位代碼和S4位代碼兩種編程形式。（1）S2位代碼

S2位代碼S00～S99共100級(jí)。

對(duì)於分檔有級(jí)調(diào)速的主軸，可採用開關(guān)量方式或寄存器方式，由CNC將S代碼傳送到PLC，然後由PLC進(jìn)行邏輯處理，輸出控制有關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)換檔。對(duì)於無級(jí)調(diào)速的主軸，將整個(gè)速度範(fàn)圍按（S00～S99）100級(jí)分度，各級(jí)按等比級(jí)數(shù)遞增，其公比為，即相鄰分度的後—級(jí)速度比前一級(jí)速度增加約12%。這樣根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速的上、下限和上述等比關(guān)係就可以獲得—個(gè)S2位代碼與主軸轉(zhuǎn)速（BCD碼）的對(duì)應(yīng)表格，它用於S2位代碼的解碼。

如圖7.28所示為S2位代碼在PLC中的處理框圖，圖中譯S代碼和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)際上就是針對(duì)S2位代碼查出主軸轉(zhuǎn)速的大小，然後將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)位數(shù)，並經(jīng)上、下限幅處理後，將得到的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)0～10V或0～5V或-10～+10V的直流控制電壓給主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)或主軸變頻器，從而保證了主軸按要求的速度旋轉(zhuǎn)。圖7.28S功能處理框圖（2）S4位代碼

S4位代碼可直接用來指定主軸轉(zhuǎn)速，例如，S1500就直接表示主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min，可見S4位代碼表示的轉(zhuǎn)速範(fàn)圍為0～9999r/min。顯然，它的處理過程相對(duì)於S2代碼形式要簡單一些，也就是它不需要圖7.28中“譯S代碼”和“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”兩個(gè)環(huán)節(jié)。另外，圖7.22中上、下限幅處理的目的是為了保證主軸轉(zhuǎn)速處於一個(gè)安全範(fàn)圍內(nèi)，例如將其限制在20r/min～3000r/min範(fàn)圍內(nèi)，這樣一旦給定超過上下限時(shí)，則取相應(yīng)邊界值作為輸出即可。3．T功能的實(shí)現(xiàn)

T功能即刀具功能，T代碼後跟隨2～5位數(shù)字表示要求的刀具號(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。根據(jù)取刀/還刀位置是否固定可將換刀功能分為隨機(jī)存取換刀控制和固定存取換刀控制。

在隨機(jī)存取換刀控制中，取刀和還刀與刀具座編號(hào)無關(guān)，還刀位置是隨機(jī)變動(dòng)的。在執(zhí)行換刀的過程中，當(dāng)取出所需的刀具後，刀庫不轉(zhuǎn)動(dòng)，而是在原地立即存入換下來的刀具。這時(shí)，取刀、換刀、存刀一次完成，縮短了換刀時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，但刀具控制和管理要複雜一些。在固定存取換刀控制中，被取刀具和被還刀具的位置都是固定的，也就是說換下的刀具必須放回預(yù)先安排好的固定位置。顯然，後者增加了換刀時(shí)間，但其控制要簡單些。圖7.29T功能處理框圖

如圖7.29所示，為採用固定存取換刀控制方式的T功能處理框圖。另外，數(shù)控加工程式中有關(guān)T代碼的指令經(jīng)解碼處理後，由CNC將有關(guān)資訊傳送給PLC，在PLC中進(jìn)一步經(jīng)過解碼並在刀具數(shù)據(jù)表內(nèi)檢索，找到T代碼指定刀號(hào)對(duì)應(yīng)的刀具編號(hào)（即地址），然後與目前使用的刀號(hào)相比較。

如果相同則說明T代碼所指定的刀具就是目前正在使用的刀具，不必再進(jìn)行換刀操作，而返回原入口處。若不相同則要求進(jìn)行更換刀具操作，即首先將主軸上的現(xiàn)行刀具歸還到它自己的固定刀座號(hào)上，然後回轉(zhuǎn)刀庫，直至新的刀具位置為止，最後取出所需刀具裝在刀架上，至此完成整個(gè)換刀過程。7.5數(shù)控機(jī)床電氣圖的繪製方法

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要將各電氣元件及其連接、佈局用一定的圖形表達(dá)出來，這種圖就是電氣圖。數(shù)控機(jī)床的電氣圖有三類，分別是電氣原理圖、電氣安裝接線圖、電器元件佈置圖。電氣圖的圖形及文字符號(hào)

為了能表達(dá)電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理等設(shè)計(jì)意圖，便於進(jìn)行電氣元件的安裝、調(diào)整、使用和維修，設(shè)計(jì)人員必須將電氣控制系統(tǒng)中各電氣元件的連接用一定的圖形表達(dá)出來。在繪製電氣圖時(shí)，電氣元件的圖形符號(hào)和文字元號(hào)必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，不能採用非國標(biāo)符號(hào)。我國電氣製圖國家標(biāo)準(zhǔn)有：GB6988-86《電氣圖用圖形符號(hào)》、GB4728《電氣製圖》、GB7159《電氣技術(shù)中的文字符號(hào)制定通則》。讀者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)採用最新的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2．電氣原理圖的繪製

電氣原理圖是為了便於閱讀和分析控制線路，它以簡明、清晰、易懂為原則，根據(jù)電氣控制線路的工作原理來繪製。在電氣原理圖中只包括所有電氣元件的導(dǎo)電部分和接線端子之間的相互關(guān)係，並不按照電氣元件的實(shí)際佈置和實(shí)際接線情況來繪製。（1）基本規(guī)則。①原理圖中，所有電動(dòng)機(jī)、電器等元件都應(yīng)採用國家統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號(hào)和文字元號(hào)來表示。屬於同一電器的線圈和觸點(diǎn)，都要用同一文字符號(hào)表示。當(dāng)使用相同類型電器時(shí)，可在文字符號(hào)後加注阿拉伯?dāng)?shù)字序號(hào)來區(qū)分。②原理圖一般分為主電路、輔助電路和CNC介面電路三個(gè)部分。主電路就是從電源到電動(dòng)機(jī)繞組的大電流通過的路徑。輔助電路包括控制回路、照明電路、信號(hào)電路及保護(hù)電路等，一般由繼電器的線圈和觸點(diǎn)，接觸器的線圈和觸點(diǎn)，以及按鈕、照明燈、信號(hào)燈、控制變壓器等電氣元件組成。CNC介面電路包括CNC與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的連接介面，內(nèi)置PLC輸入端與各按鈕開關(guān)的連接，內(nèi)置PLC輸出端與各種電磁閥、指示燈之間的連接介面等。一般主電路用粗實(shí)線表示，畫在左邊（或上部）；輔助電路、CNC介面電路用細(xì)實(shí)線表示，畫在右邊（或下部）。③原理圖中，各電氣元件的導(dǎo)電部件如線圈和觸點(diǎn)的位置，應(yīng)根據(jù)便於閱讀和分析的原則來安排，繪在它們完成作用的地方。同一電氣元件的各個(gè)部件可以不畫在一起。④原理圖中，所有電器觸點(diǎn)都按沒有通電或沒有外力作用時(shí)的開閉狀態(tài)畫出。如繼電器、接觸器的觸點(diǎn)，按線圈未通電時(shí)的狀態(tài)畫出；按鈕、行程開關(guān)的觸點(diǎn)按不受外力作用時(shí)的狀態(tài)畫出；控制器按手柄處於零位時(shí)的狀態(tài)畫出。⑤原理圖中，有直接電聯(lián)系的交叉導(dǎo)線的連接點(diǎn)，建議用黑圓點(diǎn)表示。無直接電聯(lián)系的交叉導(dǎo)線，交叉處不能畫黑圓點(diǎn)。⑥原理圖中，無論是主電路還是輔助電路，各電氣元件一般應(yīng)按動(dòng)作順序從上到下，從左到右依次排列，可水準(zhǔn)或垂直佈置。（2）圖面區(qū)域的劃分。

圖面分區(qū)時(shí)，豎邊從上到下用拉丁字母，橫邊從左到右用阿拉伯?dāng)?shù)字分別編號(hào)。分區(qū)代號(hào)用該區(qū)域的字母和數(shù)字表示，如B3、C5。圖中上方和下方的阿拉伯?dāng)?shù)字是圖區(qū)橫向編號(hào)，左邊和右邊的拉丁字母是圖區(qū)豎向編號(hào)，它們是為了便於檢索電氣線路，方便閱讀分析而設(shè)置的。圖區(qū)橫向編號(hào)方向的“主軸電動(dòng)機(jī)”、“刀