毕业论文-PLC在数控机床中的应用.doc

PLC在数控机床中的应用 摘要： PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的几处上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。论文主要介绍了PLC的工作原理、结构、工作过程、分类、编程方法、对数控机床个方面的控制以及应用范围，从数控机床主轴正反转、主轴变频等方面阐述了PLC对数控机床的重要作用。关键词 ： 工作原理，分类，编程方法 一、目 录一 前言 . 4 二 PLC的工作原理及结构 4 三 PLC的特点及程序编制 6 四 数控机床的PLC功能 . 7 五 PLC控制数控机床的典型实例及故障分析. 9六 参考文献. 14七 结束语. 15前言 PLC是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的几处上发展起来的新型控制器它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电器操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机常用的计算机编程语言的表达形式，独具风格的形成一套一件电器为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观、方便易学、调试和查错都很容易。PLC现已成为现代工业控制三大支柱之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速技术与位控等高性能模块等优异性能，日益取代有大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电-接触控制系统，随着科学技术的迅猛发展，在航天、航空、机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电子、交通、技术监督与测试等行业得到广泛应用,而且也正逐步引入人们的日常生活中去。可以说，测试技术与自动控制水平的高低是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。二、Plc的工作原理、工作过程及分类1：PLC的基本工作原理 与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常的工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。2：PLC的工作过程：PLC接通电源，CPU进行输入点的状态采集，读入各输入点的状态，用户程序的逻辑解算、相应输出状态的更新和I/O执行。接入编程器时，也对编程器的输入响应，并更新显示。然后CPU对自身的硬件进行快速自检，并对监视扫描用定时器进行复位。并在完成自检后，又重新开始扫描运行。周而复始。 输入输出状态采集 解算梯形图 扫描I/O口，输出状态更新 扫描编程器 更新显示强行I/O操作输 入 端 器 件输 入 映 象元 件 映 象 寄 存输 出 锁 存输 入 端 器 件输 入输 出输入采样阶段输出刷新阶段程序执行阶段PLC的基本结构PLC的型号、规格繁多，下图仅示出了它的基本结构框图。它主要由中央处理单元CPU、存储器、输入、输出等部分组成输 入信号  现场输入信号存储 器CPU接 口输出状态寄存器、输出信号现场执行元件输入状态寄存器 外部设备（编程器等）PLC的结构包括硬件和软件两大部分。PLC 的硬件原理框图CPUEEPROM用户程序EPROM系统软件总 线RAM编程器电 源输入输出模块功能开关和指示器电 池在硬件和控制对象之间有三环：第一个环：是操作系统，用它来管理PLC的硬件资源；第二个环：是编译系统，这两 个环构成了的PLC软件系统。第三个环：是实现用户要求的应用程序。3：PLC的分类 评价指标PLC规模输入/输出的点数程序存储器容量应用范围小 型小于128点1KB以下数控铣床、数控车床、加工中心、机器人等单机数控设备，中 型128点 512点1 4KB大型数控设备、FMC、FMS、CIMS等则需要采用中、大型规模的可编程控制器。大 型512点以上4KB以上三、PLC在数控系统中的应用数 控 装 置可编程控制器操作面板主轴控制辅助动作换刀动作冷却排屑.PLC的特点优于输入/输出模块滤波器的时间常数，以及执行时要按工作周期顺序进行等原因，会使输入/输出响应出现滞后现象，对一般工业控制设备来说，这种滞后现象是允许的，但地某些设备的某些信号要做出快速响应。通常的做法是：将顺序程序分为快速响应的高优先级程序和一般响应速度的低优先级程序 。1：可靠性高。PLC的硬件采取了屏蔽措施；电源采用了多级滤波环节；CPU 和 I/O 回路之间采用了光电隔离，提高了硬件可靠性。在软件方面，可编程控制器采用了故障自诊断方法，一发现故障，就显示故障原因，并立即将信号状态存入存储器进行保护。当外界条件恢复正常时，可继续工作。2：功能完善，性能价格比高由于PLC是介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置，所以PLC不仅有逻辑运算的基本功能和控制功能，还具有四则运算和数据处理(如比较、判别、传递和数据变换等)等功能。PLC具有面向用户的指令和专用于存储用户程序的存储器，用户控制逻辑由软件实现，这样使PLC适用于控制对象动作复杂、控制逻辑需要灵活变更的场合。有的PLC还具有旋转控制、数据表检索等功能，使数控机床复杂的刀库控制程序变得很简单。PLC已系列化、模块化、可以根据需要，经济地进行组合，因而使性能价格比得到提高。3： 容易实现机电一体化 由于PLC结构紧凑，体积小，容易装入机床内部或电气柜内，实现机电一体化。4：编程简单 大多数PLC都采用梯形图方法编程，形象直观，原理易于理解和掌握，编程方便。PLC可以与专用程编机、程编器、甚至个人计算机等设备连接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断和传送等操作。四、典型PLC的指令和程序编制1：功能指令 数控机床用PLC的指令必须满足数控机床信息处理和动作控制的特殊要求。例如，由NC输出的M、S、T二进制代码信号的译码(DEC)，机械运动状态或液压系统动作状态的延时(TMR)确认，加工零件的计数(CTR)，刀库、分度工作台沿最短路径旋转和现在位置至目标位置步数的计算(ROT)，换刀时数据检索(DSCH)等。对于上述指令的译码、定时、计数、最短径选择，以及比较、检索、转移、代码转换、四则运算、信息显示等控制功能，用移位操作的基本指令编程实现将会十分困难。因此需要一些具有专门控制功能的指令解决那些较复杂控制。这些专门指令就是功能指令。功能指令都是一些子程序，应用功能指令就是调用了相应的子程序指令参数（1）参数（2）参数（3）参数（4）X4。7R571。4ABRSTDX6。7R560。5R541。6ACTR550。0CWR500。0输出参数指令控制条件 控制条件： 每条功能指令控制条件的数量和含义各不相同，控制条件以及指令、参数和输出(W)必须无一遗漏按固定的编码顺序编写。指令： 指令有三种格式分别用于梯形图、纸带穿孔和程序显示，编程机输入时用简化指令。参数： 与基本指令不同，功能指令可处理数据。数据或存有数据的地址可作为参数写入功能指令。参数数目和含义随指令不同而异。用PLC编程器的PRM键可以输入参数。输出(W)：功能指令操作结果用逻辑“0”或“1”状态输出到W。W地址由编程者任意指定。有些功能指令不用W，如MOVE(逻辑乘后，数据移动)、COM(公共线控制)、JMP(转移)等。顺序结束指令(END1，END2) 顺序程序结束指令包括：END1：高级顺序结束指令。要求响应快的信号(如脉冲 信号)编在高级顺序程序中，分为1、2、3级，用功能指令END1指定高级顺序结束。 END2：低级顺序程序结束 指令格式： 其中i=1和2， 分别表示高级和低级顺序结束指令。定时器指令(TMR，TMRB) 在数控机床梯形图编制中，定时器是不可缺少的指令。它用在机械动作完成状态和稳定状态的延时确认(如卡盘夹紧/松开、自动夹具夹紧松开、转台锁释放、刀具夹紧/松开、主轴起动/停止等)，机床液压、润滑、冷却、供气系统执行器件稳定工作状态的延时确认(如油缸、气缸、电磁阀、压力阀、气阀等动作完成确认)，以及顺序程序中其它需要与时间建立逻辑顺序关系的场合。定时器指令格式 TMRACT.TM.控制条件指令定时器编号定时器控制数据地址输出地址 TMRTMACT.控制条件指令定时器编号定时器继电器定时器号TMR是设定时间可以更改的延时定时器。设定值用二进制表示。二进制1相当与50ms。设定范围：0.051638.35s。定时器工作原理：当控制条件ACT=0时，输出W=0 (即定时继电器TM断开)。当ACT=1时，定时器开始计时，在到达预定的时间后，W=1(即接通定时器继电器TM)。译码指令(DEC) 数控机床在执行加工程序中规定的M、S、T机能时，CNC 装置以BCD代码形式输出M、S、T代码信号。这些信号需要经过译码才能从BCD码状态，转换成具有特定功能含义的一位逻辑状态。DEC功能指令的格式。 DECACT.W.控制条件指令译码信号地址译码规格数据译码结果输出地址 DECACT.W.控制条件指令译码信号地址译码规格数据译码结果输出地址 译码信号地址是指数控装置至PLC的二字节BCD代码的信号地址。译码规格数据由序号和译码位数两部分组成，如右图所示：序号必须两位数指定。例如，对M03译码，这二位数即为03。译码位数的设定有三种情况： 01：对低位数译码 10：对高位数译码 11：对二位数译码 译码位数序 号操作维护容易可编程控制器信息通过总线或数据传送线与主机相连，调试和操作方便。可编程控制器采用模块化结构，如有损坏，即可更换。五、数控机床的PLC功能1、CNC、PLC、机床之间的信号处理过程CNC装置和机床之间的信号传送处理两个过程：（1）：CNC装置机床：CNC装置®CNC装置的RAM ®PLC的RAM中。PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。处理后的数据仍在PLC的RAM中，对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床；对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。（2）：机床CNC装置对于内装型PLC，信号传送处理如下：从机床输入开关量数据®CNC装置的RAM ® PLC的RAM。PLC的软件进行逻辑运算处理。处理后的数据仍在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置的RAM中。 CNC装置软件读取RAM中数据。对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口送到PLC的RAM中，然后进行上述的第2步，以下均相同。（3）：主轴S功能通常用S二位或S四位代码指定主轴转速。CNC装置送出S代码(如二位代码)进入PLC，经过电平转换(独立型PLC)、译码、数据转换、限位控制和D/A变换，最后输给主轴电机伺服系统。为了提高主轴转速的稳定性，增大转矩、调整转速范围，还可增加12级机械变速档。通过PLC的M代码功能实现。2、 PLC Û CNC 、机床间的信息交换（1）：PLC Þ CNC的信号：主要有机床各坐标基准点信号，M、S、T功能的应答信号等。（2）：PLC Þ 机床的信号：主要是控制机床执行件的执行信号，如电磁铁、接触器、继电器的动作信号以及确保机床各运动部件状态的信号及故障指示。（3）：机床 Þ PLC的信息：主要有机床操作面板上各开关、按钮等信息，其中包括机床的起动、停止，机械变速选择，主轴正/反转、停止，冷却液的开/关，各坐标的点动和刀架、夹盘的松/夹等信号，以及上述各部件的限位开关等保护装置、主轴伺服保护监视信号和伺服系统运行准备等信号。主轴运动控制PLC程序示例RDRD.STKAND.NOTOR.STKWRTRDRD.STKAND.NOTOR.STKWRT016.3137.0137.1137.0016.2137.1137.0137.1HS.MHANDAUTO016.3137.0AS.MAUTOHAND016.2137.1137.0DEC 0115 0411114.0MFM04141.2DEC 0115 0311114.0MFM03141.1DEC 0115 0511114.0MFM05143.3HAND137.0AUTO137.1手动方式自动方式M03M04M05PLC初始故障判断程序如附图所示。下面举例说明初始故障诊断原理。以3个故障为例，其中设置了3个故障检测位，分别为R500.0、R510.0、R520.0；3个初始故障检测位为R500.2、R510.2、R520.2；F149.1为系统复位信号。初始状态时，无报警出现，故障检测位都为“0”，初始故障检测位也都为“0”，复位信号F149.1为“0”。在3个故障中假设首先发生第二个故障。在程序扫描的第一个周期内，其对应的故障检测位R510.0变为“1”，R500.2、R520.2、F149.1初始值为“0”，初始故障检测位R510.2变为“1”，通过自锁保持为“1”，直到故障被排除，系统复位信号发出后“1”状态才被解除。在程序扫描的第二个周期内，R510.2保持为“1”，实现了对R500.1、R520.1的封锁，即使此时另外某一个故障检测位为“1”，也不能导致其初始故障检测位变为“1”。通过此PLC程序的控制，就能从同时发生的众多故障里准确地判断出初始故障。PLC实现机床主轴自动换挡主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。主轴的变速一般采用电控或变速箱来实现。电控主轴直接采用变频系统控制主轴的转速，而主轴变速箱则采用不同的齿轮组合实现几挡不同转速的控制。许多机床采用主轴变速箱形式。主轴的转速与输出功率必须配套，如果用单一的齿轮比，虽然可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的转速与功率，必须采用不同的齿轮组合。 下面一台五坐标数控龙门铣床。其主轴采用变速箱变速，控制系统为西门子SINUMERIK 840C数控系统 ，坐标及主轴驱动采用西门子SIMODRIVER 611A根据该机床的主轴换挡结构，结合控制系统的特点，通过内置式PLC控制程序，对主轴换挡进行了自动控制处理图1 主轴换挡结构 图2 控制系统信号流1 主轴换挡机构该机床的主轴换挡机构由两个双向电磁阀(SOL1SOL4)控制两个油缸，分别推动两个齿轮组上下移动，每组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生4挡转速。在主轴箱内安装了4个挡位检测开关(SW1SW4)。压力继电器(PS1)检测换挡液压压力。其换挡结构见图1。 2 控制系统的信号与数据接口控制系统由NCK和PLC模块组成，它们之间靠数据块传递消息。机床的输入输出点接入PLC的输入输出模块中。NC系统给主轴发出速度指令电压。系统主轴数据块中存放有主轴换挡的有关数据，通过PLC程序，对这些数据进行实时操作。系统可以有8挡转速控制。该机床采用了其中4挡，相邻挡位间可以存在转速的交叉。 为实现主轴的自动换挡，在机床数据中预先设置了主轴4个换挡转速范围。NC控制系统依据不同的挡位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴电机不同的转速。 输入信号：挡位检测信号SW1SW4，换挡液压压力PS1，主轴电机停转Nmin，主轴电机实际转速Nact； 输出信号：换挡电磁阀SOL1SOL4，电机驱动指令电压Vist。 系统主轴数据块包含摆动速度、摆动频率、内置换挡范围、当前挡位、换挡命令、目标挡位、换挡结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止和主轴PLC控制等数据。控制系统的信号流见图2。 系统可采用SW1SW4检测开关的状态组合编码作为当前主轴挡位的标志。电磁阀及检测开关状态见表1。3 主轴自动换挡的PLC实现表1 主轴换挡状态换挡号 SOL1 SOL2 SOL3 SOL4 SW1 SW2 SW3 SW4 第一挡 1 0 1 0 1 0 1 0第二挡 0 1 1 0 0 1 1 0第三挡 1 0 0 1 1 0 0 1 第四挡 0 1 0 1 0 1 0 1 图3 主轴换挡控制流程主轴换挡的控制过程是在PLC中实现的。PLC接受到NCK发出的换挡命令，先检查主轴电机是否处于停转状态，如果未停，PLC向主轴发“主轴禁止”命令，使主轴停止。PLC设定一个特定定时器，根据目标挡位，给相应的换挡液压油缸(SOL1SOL4)发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时，启动主轴摆动模式，设置摆动频率，使齿轮在移动中啮合。定时器定时到了以后，PLC检测相应的挡位开关是否生效，如果生效，说明换挡齿轮啮合到位，同时上报NCK换挡生效，并向数据块填写“当前挡位”。此时，主轴自动进入下一挡转速。否则，PLC进行错误报警处理。主轴换挡控制流程见图。六、参考文献电器控制与PLC可编程控制器PLC可编程控制器 数控编程与加工数控技术应用七、结束语数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。我充分认识到了知识的重要性，在论文中遵循了PLC控制系统的基本原则，将所学知识与实际相联系，使理论与实践充分结合。本论文主要介绍了PLC的工作原理、结构、工作过程、分类、编程方法、对数控机床个方面的控制以及应用范围，从数控机床主轴报警、正反转、主轴变频控制等方面阐述了PLC对数控机床的重要作用。充分体现出了PLC对现代工业的重要性。同时感谢孙老师在我写论文的过程中给予的关心和帮助。14