数控技术第5章可编程控制器

第五章数控机床用可编程控制器§5.1PLC概述一、PLC的产生发展传统的机床动作顺序控制采用继电器逻辑电路（RLC)，缺点：功能有限，调整困难，体积大，工作触点有限。功耗大，可靠性差。可编程序控制器ＰＬＣ是２０世纪６０年代发展起来的一种新型自动化控制装置。用于替代传统的继电器控制装置，只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等功能，而且只能进行开关量控制。随着技术的进步，ＰＬＣ与先进的微机控制技术相结合而发展成为一种崭新的工业控制器，功能已远远超出逻辑控制的范畴。国际电工委员会（ＩＥＣ）对ＰＬＣ所作定义如下：“可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各各种类型的机械设备和生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”数控机床控制包括数字控制和动作顺序控制。前者即刀具轨迹控制，由CNC完成。动作顺序控制部分由PLC完成。PLC接受数控部分送来的S/M/T，以及机械顺序动作信息，并译码，转换成控制信号，使执行环节作相应的开关动作。PLC克服了传统继电器的缺点，已成为数控机床的基本控制单元。二、PLC的构成PLC实际上是一个小型工控计算机，由硬件和软件构成。1、硬件2、软件（1）系统软件：已固化在EPROM中，由生产厂家提供；包括监控程序、编译程序及诊断程序。（2）用户程序：用PLC语言编制的应用程序。数控机床的应用程序也已由厂家固化到EPROM中。三、PLC的种类PLC按照输入/输出的点数、程序存储容量的大小，分为小型、中型和大型。一般的数控机床PLC都是小型的，FMS/FMC/MC的PLC可能是中型或大型的（单元控制器）。一、类型1、内装型PLC专为数控机床设计。从属于ＣＮＣ装置，ＰＬＣ与ＮＣ侧的信号传送在ＣＮＣ装置内部即可实现。ＰＬＣ与ＭＴ则通过ＣＮＣ输入／输出接口电路实现信号传送。§5.2数控机床用PLC内装型PLC①内装型ＰＬＣ实际上是ＣＮＣ装置带有的ＰＬＣ功能，一般是作为一种基本的功能提供给用户。②内装型ＰＬＣ的性能指标（如：输入／输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等）是根据所从属的ＣＮＣ系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的，其硬件和软件部分是被作为ＣＮＣ系统的基本功能或附加功能与ＣＮＣ系统一起统一设计制造的。因此系统硬件和软件整体结构十分紧凑，ＰＬＣ所具有的功能针对性强，技术指标较合理、实用，较适用于单台数控机床及加工中心等场合。③内装型ＰＬＣ可与ＣＮＣ共用ＣＰＵ，也可单独使用一个ＣＰＵ；内装型ＰＬＣ一般单独制成一块附加板，插装到ＣＮＣ主板插座上，不单独配备I／Ｏ接口，而使用ＣＮＣ系统本身的１／Ｏ接口；ＰＬＣ控制部分及部分I／Ｏ电路所用电源（一般是输人口电源，而输出口电源是另配的）由ＣＮＣ装置提④采用内装型ＰＬＣ结构，ＣＮＣ系统可以具有某些高级控制功能，如梯形图编辑和传送功能。内装型PLC的数控系统：FANUCＦＳ０（ＰＭＣ-Ｌ／Ｍ），ＦＳ－０Ｍａｔｅ（ＰＭＣ-Ｌ／Ｍ），ＦＳ-３（ＰＣ-Ｄ），ＦＳ-６（ＰＣ-Ａ，ＰＣ-Ｂ），ＦＳ-１０／１１（ＰＭＣ-Ｉ），ＦＳ-１５（ＰＭＣ-Ｎ）；ＳＩＥＭＥＮＳ公司的ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ８１０／８２０；Ａ－Ｂ公司的８２００，８４００，８５００等。优点：结构紧凑。2、独立型ＰＬＣ又称通用型ＰＩＣ。独立于ＣＮＣ装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务。独立型ＰＬＣ具有以下特点：①独立型ＰＬＣ的基本功能结构与通用型ＰＬＣ完全相同。②数控机床应用的独立型ＰＬＣ，一般采用中型或大型ＰＬＣ，I／０点数一般在２００点以上，多采用积木式模块化结构，功能易于扩展和变换。③独立型ＰＬＣ的输入／输出点数可以通过输入／输出模块的增减灵活配置。独立型ＰＬＣ的数控系统：SIMENS公司SIMATICS5,S7系列，日本立石公司OMROMSYSMAC系列，FANUC公司的ＰＭＣ系列，三菱公司FX系列等。二、M/S/T功能的实现1、M功能根据不同的M代码，PLC控制主轴正反转或停止、主轴齿轮箱的变速、冷却液的开关，卡盘的夹紧与松开，自动换刀装置机械手取刀、归刀。2、S功能CNC将S代码送入PLC，经电平转换、译码、数据转换、限位控制和D/A转换，最后送给主轴电动机伺服系统。3、T功能CNC将T代码送入PLC，经PLC译码，检索，找到新刀号地址，与现刀号比较，发出相应的指令。三、PLC的工作方式PLC执行用户程序的过程是一种循环扫描过程：1、输入采样：将输入端器件的信号状态读入到寄存器。2、程序执行：按顺序执行。执行结果存放到专用寄存器。3、输出刷新：将寄存器结果输出到锁存电路，驱动用户设备工作周期（扫描周期）：每执行1次循环的时间，取决于程序长度。高级程序：要求响应速度快的程序；低级程序：响应速度低的程序；ＰＬＣ处理高级程序和低级程序是按“时间分割周期”分段进行的。在每个定时分割周期，高级程序都被执行一次，而剩余时间执行低级程序的分割段，每个低级程序分为几个分割段。§5.3PLC编程方法不同厂家的PLC编程语言是不同的；目前使用最普遍的编程语言是梯形图和语句表。部分可采用高级语言编程。一、梯形图梯形图(LadderProgram，LD)与继电器电路图相似；由电路接点和软继电器线圈按一定的逻辑关系构成梯形电路。语句表即梯形图助记符，也称指令表或编码表。常开节点常闭节点线圈线圈：存储器，存储该梯级的运算结果操作地址FANUC-PMC-L：12条基本指令，35条功能指令。堆栈寄存器：暂存逻辑操作的中间结果，有９位，先进后出、后进先出。一、基本指令格式：例如：RD10.6把10.6这一位的数据状态“１”或“０”读出并写入结果寄存器ST0中。10.6表示第10号存储单元中的第6位。FANUC-PMC-L基本指令二、功能指令对于数控机床的很多动作要求，仅用1位操作的基本指令编程，实现起来将会十分困难，功能指令实际上是子程序，用于完成相对复杂的动作。应用功能指令就是调用相应的子程序。1、格式①控制条件：数量和意义随功能指令的不同而变化。控制条件存入堆栈寄存器中，其顺序是固定不变的。②功能指令：格式１用于梯形图；格式２用于纸带穿孔和程序显示；格式３是用编程器输入程序时的简化指令，对TMR和DEC指令在编程器上有其专用指令键，其他功能指令则用SUB键和其后的数字键输入。③参数：参数的数量和含义随指令的不同而不同。④输出：指令的执行情况可用1位“１”和“０”表示，把它输出到W继电器，W继电器的地址可随意确定。2、部分功能指令说明①顺序程序结束指令(END1、END2)END1：高级顺序程序结束指令；END２：低级顺序程序结束指令。②定时器指令（ＴＭＲ，ＴＭＲＢ）TMR定时器：设定时间可更改的定时器。定时时间由MDI面板设定。TMRB定时器：设定时间固定的定时器③译码指令(DEC)翻译M/S/T代码信号的BCD码值，并与设定的译码值比较，输出对应的逻辑值。例如，M03（主轴顺时针转）译码值03，M30(纸带结束）译码值30译码位数01，10，11④旋转指令(ROT)该指令可以对刀库、回转工作台等实现选择最短途径的旋转方向；计算现在位置和目标位置之间的步距数；计算目标前一个位置的位置数或达到目标前一个位置的步距数。§5.4数控机床PLC的程序设计与调试一、控制对象及接口信号1.控制对象对于数控加工过程的顺序控制，分为“NC侧”和“MT侧”两部分。NC侧：CNC系统的硬件和软件，以及与CNC系统连接的外围设备。MT侧：机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置，机床操作面板，继电器线路，机床强电线路等。PLC处于NC和NT之间，对NC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。机床结构越复杂，则控制对象越多。2、输入输出信号指在PLC和机床之间传递的信号，输入和输出均是相对于PLC而言的。信号类型：直流(开关量)输入输出信号、直流模拟输入输出信号、交流模拟输入输出信号。为屏蔽干扰，直流输入输出信号一般需设置隔离电路，例如光电耦合隔离电路。直流信号输入接口原理图信号接口原理图直流信号输出接口原理图直流输入信号电路负载为指示灯的信号输出电路负载为继电器的信号输出电路大负载驱动控制原理图3、顺序程序所要求的存储器容量存储容量=（基本指令步数+功能指令步数）X1.1基本指令步数=基本指令的数目功能指令步数=各个功能指令所用的重复次数X相应的功能指令步数+功能指令的固定步数3、地址表全部信号均需要分配指令地址。可分为三类：与NC连接的信号地址；与机床连接的信号地址；PLC内部的信号地址二、设计流程1．确定机床与PLC之间的输入、输出信号:确定哪些机床信号(如按钮、行程开关、继电器触点、无触点开关的信号等)需要输入给PLC，哪些信号需要从PLC输出给机床(如继电器线圈、指示灯以及其它的执行电路)，从而计算出对于PLC的输入、输出线的数目。注意：从机床直接送至NC的信号线也应包括在从机床到PLC的输入线的数目中。2.估算PLC存贮器容量。存贮器容量视机床的复杂程度而定，一般，数控车床约1000步，小型加工中心约1500步，复杂、大型的加工中心约5000步。3．选用适配的PLC：根据所确定的输入、输出线的数目和所估算的PLC存贮器容量，以及所选用的数控系统，。4．制作PLC的地址表。根据PLC所给定的地址范围，对每个与PLC控制有关的信号赋予专用的信号名和地址。另外，还有控制继电器地址表、计时器地址表、计数器地址表、数据地址表以及保持继电器地址表等。5．制作梯形图。根据PLC所指定的表达方式和对机床的控制要求，制作顺序控制图(梯形图)。6．编写顺序程序。即用PLC的指令来描述梯形图的内容，以便于把梯形图上的顺序程序写入到存储器中。7.写入顺序程序。写入顺序程序有好几种方法，如用编程器键盘输入，用纸带阅读机读入穿有顺序程序的纸带。8．确认无误后，把顺序程序写入列EPROM中。9．把EPROM插到PLC板的指定位置上。10．调试顺序程序，可以用模拟装置代替机床，根据机床的状态，用开关状态的“闭合”和“断开”来模拟机床的输入信号，用灯的亮或灭来检查PLC的输出信号。11．经调试后，如果认为程序无误，则机床的控制程序的设计就完成了，如果程序有误，则应该修改程序后，再从第7步开始重复调试，直到认为程序无误为止。