1、 plc在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用 摘要： plc是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)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(jī)。論文主要介紹了plc的工作原理、結(jié)構(gòu)、工作過程、分類、編程方法、對數(shù)控機(jī)床個方面的控制以及應(yīng)用范圍，從數(shù)控機(jī)床主軸正反轉(zhuǎn)、主軸變頻等方面闡述了plc對數(shù)控機(jī)床的重要作用。關(guān)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(jié)構(gòu) 4 三 plc的特點及程序編制 6 四 數(shù)控機(jī)床的plc功能 . 7 五 plc控制數(shù)控機(jī)床的典型實例及故障分析. 9六 參考文獻(xiàn). 14七 結(jié)束

2、語. 15前言 plc是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)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(lǐng)域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電器操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，摒棄了微機(jī)常用的計算機(jī)編程語言的表達(dá)形式，獨具風(fēng)格的形成一套一件電器為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶程序的編制清晰直觀、方便易學(xué)、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(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計算機(jī)接口、能對模擬量進(jìn)行控制，具備高速技術(shù)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(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在航天、航空、機(jī)械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、交通、技術(shù)監(jiān)督與測試等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,而且也正逐步引入人們的日常生活中去。可以說，測試技術(shù)與自動控制水平的高低是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)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(jī)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(yīng)用軟件兩部分。2：plc的工作過程：plc接通電源，cpu進(jìn)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(yīng)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(yīng)，并更新顯示。然后cpu對自身的硬件進(jìn)行快速自檢，并對監(jiān)視掃描用定時器進(jìn)行復(fù)位。并在完成自檢后，又重新開始掃描運行。周而復(fù)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(qiáng)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(jié)構(gòu)plc的型號、規(guī)格繁多，下圖僅示出了它的基本結(jié)構(gòu)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(shè)備（編程器等）plc的結(jié)構(gòu)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(guān)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(gòu)成了的plc軟件系統(tǒng)。第三個環(huán)：是實現(xiàn)用戶要求的應(yīng)用程序。3：plc的分類 評價指標(biāo)plc規(guī)模輸入/輸出的點數(shù)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(jī)器人等單機(jī)數(shù)控設(shè)備，中 型128點 512點1 4kb大型數(shù)控設(shè)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(yīng)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(jìn)行等原因，會使輸入/輸出響應(yīng)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，對一般工業(yè)控制設(shè)備來說，這種滯后現(xiàn)象是允許的，但地某些設(shè)備的某些信號要做出快速響應(yīng)。通常的做法是：將順序程序分為快速響應(yīng)的高優(yōu)先級程序和一般響應(yīng)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(jìn)行保護(hù)。當(dāng)外界條件恢復(fù)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(jī)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(fù)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(jī)床復(fù)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(jì)地

8、進(jìn)行組合，因而使性能價格比得到提高。3： 容易實現(xiàn)機(jī)電一體化 由于plc結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，容易裝入機(jī)床內(nèi)部或電氣柜內(nèi)，實現(xiàn)機(jī)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(jī)、程編器、甚至個人計算機(jī)等設(shè)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(jī)床用plc的指令必須滿足數(shù)控機(jī)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(jìn)制代碼信號的譯碼(dec)，機(jī)械運動狀態(tài)或液壓系統(tǒng)動作狀態(tài)的延時(tmr)確認(rèn)，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(biāo)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(fù)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(yīng)用功能指令就是調(diào)用了相應(yīng)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(jī)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(jié)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(jié)束指令(end1，end2) 順序程序結(jié)束指令包括：end1：高級順序結(jié)束指令。要求響應(yīng)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(jié)束。 end2：低級順序程序結(jié)束 指令格式： 其中i=1和2， 分別表示高級和低級順序結(jié)束指令。定時器指令(tmr，tmrb) 在數(shù)控機(jī)床梯形圖編制中，定時器是不可缺少的指令。它用在機(jī)械動作完成狀態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)的延時確認(rèn)(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(jī)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(rèn)(如油缸、氣缸、電磁閥、壓力閥、氣閥等動作完成確認(rèn))，以及順序程序中其它需要與時間建立邏輯順序關(guān)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(shè)定時間可以更改的延時定時器。設(shè)定值用二進(jìn)制表示。二進(jìn)制1相當(dāng)與50ms。設(shè)定范圍：0.051638.35s。定時器工作原理：當(dāng)控制條件act=0時，輸出w=0 (即定時繼電器tm斷開)。當(dāng)act=1時，定時器開始計時，在到達(dá)預(yù)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(jī)床在執(zhí)行加工程序中規(guī)定的m、s、t機(jī)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(jié)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(jié)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(shè)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(hù)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(jī)相連，調(diào)試和操作方便。可編程控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，如有損壞，即可更換。五、數(shù)控機(jī)床的plc功能1、cnc、plc、機(jī)床之間的信號處理過程cnc裝置

14、和機(jī)床之間的信號傳送處理兩個過程：（1）：cnc裝置機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)床。（2）：機(jī)床cnc裝置對于內(nèi)裝型plc，信號傳送處理如下：從機(jī)床輸入開關(guān)量數(shù)據(jù)cnc裝置的ram plc的ram。plc的軟件進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)械變速檔。通過plc的m代碼功能實現(xiàn)。2、 plc cnc 、機(jī)床間的信息交換（1）：plc cnc的信號：主要有機(jī)床各坐標(biāo)基準(zhǔn)點信號，m、s、t功能的應(yīng)答信號等。（2）：plc 機(jī)床的信號：主要是控制機(jī)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(jī)床各運動部件狀態(tài)的信號及故障指示。（3）：機(jī)床 plc的信息：主要有機(jī)床操作面板上各開關(guān)、按鈕等信息，其中包括機(jī)床的起動、停止，機(jī)械變速選擇，主軸正/反轉(zhuǎn)、停止，冷卻液的開/關(guān)，各坐標(biāo)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(guān)等保護(hù)裝置、主軸伺服保護(hù)監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準(zhǔn)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(shè)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(fù)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(fù)位信號f149.1為“0”。在

18、3個故障中假設(shè)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(yīng)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(fù)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(dǎo)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(zhǔn)確地判斷出初始故障。plc實現(xiàn)機(jī)床主軸自動換擋主軸是機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)的運動機(jī)構(gòu)，是機(jī)床的關(guān)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(jī)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(jī)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(biāo)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(biāo)及主軸驅(qū)動采用西門子simodriver 611a根據(jù)

20、該機(jī)床的主軸換擋結(jié)構(gòu)，結(jié)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(jìn)行了自動控制處理圖1 主軸換擋結(jié)構(gòu) 圖2 控制系統(tǒng)信號流1 主軸換擋機(jī)構(gòu)該機(jī)床的主軸換擋機(jī)構(gòu)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(guān)(sw1sw4)。壓力繼電器(ps1)檢測換擋液壓壓力。其換擋結(jié)構(gòu)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(jī)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(guān)數(shù)據(jù)，通過plc程序，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時操作。系統(tǒng)可以有8擋轉(zhuǎn)速控制。該機(jī)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(jī)床數(shù)據(jù)中預(yù)先設(shè)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(yīng)主軸電機(jī)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(jī)停轉(zhuǎn)nmin，主軸電機(jī)實際轉(zhuǎn)速nact； 輸出信號：換擋電磁閥sol1sol4，電機(jī)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(dāng)前擋位、換擋命令、目標(biāo)擋位、換擋結(jié)束標(biāo)志、主軸電機(jī)運行狀態(tài)、主軸禁止和主軸plc控制等數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)的信號流見圖2。 系統(tǒng)可采用sw1sw4檢測開關(guān)的狀態(tài)組合編碼作為當(dāng)前主軸擋位的標(biāo)志。電磁閥及檢測開關(guān)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