第五章少课时版 数控技术

1第五章数控机床用可编程控制器25.1概述一、PLC的产生与发展可编程控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,它是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能。即能控制开关量，也能控制模拟量。在数控机床上采用PLC代替继电器控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。在数控机床、加工中心等自动化程度高的加工设备和生产制造系统中，PLC是不可缺少的控制装置。35.1概述PLC的功能也在不断增长，主要表现在：1）控制规模不断扩大，单台PLC可控制成千乃至上万个点，多台PLC进行同位链接可控制数万个点。2）指令系统功能增强，能进行逻辑运算、计时、计数、算术运算、PID运算、数制转换、ASCⅡ码处理。高档PLC还能处理中断、调用子程序等。使得PLC能够实现逻辑控制、模拟量控制、数值控制和其他过程监控，以至在某些方面可以取代小型计算机控制。3）处理速度提高，每个点的平均处理时间从10μs左右提高到1μs以内。45.1概述4）编程容量增大，从几K字节增大到几十K，甚至上百K字节。5）编程语言多样化，大多数使用梯形图语言和语句表语言，有的还可使用流程图语言或高级语言。6）增加通信与联网功能，多台PLC之间能互相通信，互相交换数据，PLC还可以与上位计算机通信，接受计算机的命令，并将执行结果告诉计算机。通信接口多采用RS-422／RS-232C等标准接口，以实现多级集散控制。55.1概述发展方向：1）低档PLC向小型、简易、廉价方向发展，使之广泛地取代继电器控制2）中、高档PLC向大型、高速、多功能方向发展，使之能取代工业控制微机的部分功能，对大规模的复杂系统进行综合性的自动控制。65.1概述二、PLC的基本功能顺序控制以机械设备的运行状态和时间为依据，使其按预先规定好的动作次序顺序地进行工作的一种控制方式。数控机床所用的顺序控制装置（或系统）传统的“继电器逻辑电路”，简称RLC（RelayLogicCircuit）“可编程序控制器”，即PLC75.1概述RLC是将继电器、接触器、按钮、开关等机电式控制器件用导线连接而成的以实现规定的顺序控制功能的电路。缺点：1）只能实现简单的控制功能2）修改控制逻辑复杂3）体积庞大85.1概述PLC的特点：1）PLC是由计算机简化而来的。为适应顺序控制的要求，PLC省去了计算机的一些数字运算功能，而强化了逻辑运算控制功能，是一种功能介于继电器控制和计算机控制之间的自动控制装置。2）灵活性好。用户控制逻辑用软件实现。适用于控制对象动作复杂，控制逻辑需要灵活变更的场合。3）编程简单，使用方便。用户程序多采用图形符号和逻辑顺序关系与继电器电路十分近似的“梯形图”编辑。梯形图形直观，工作原理易于理解和掌握。95.1概述4）PLC可与专用编程机、编程器、个人计算机等设备联接，可以很方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存储和传送等操作。5）可靠性高。PLC没有继电器那种接触不良，触点熔焊、磨损和线圈烧断等故障。运行中无振动、无噪音，且具有较强的抗干扰能力，可以在环境较差（如：粉尘、高温、潮湿等）的条件下稳定、可靠地工作。6）便于实现机电一体化。PLC结构紧凑、体积小、容易装入机床内部或电气箱内，便于实现数控机床的机电一体化。10信号处理功能电源功能通信功能人机接口功能编程和调试、试验功能应用程序的执行操作系统功能应用程序存储数据存储至传感器和执行件的接口外部设备外部供电操作者应用程序设计至机床控制过程图5-1PLC系统的基本功能结构115.1概述三、PLC的基本结构1）硬件系统2）软件系统12图5-2通用型PLC的硬件基本结构5.1概述CPU电池用户RAM用户EPROM系统程序EPROM编程设备输入/输出电路功能开关和指示器13接收现场信号输入部件外设接口扩展接口输出部件电源运算器控制器微处理器RAM用户程序EPROM系统程序盒式磁带机驱动受控元件I/O扩展单元存储器打印机EPROM写入器PLC或上位计算机编程器通用型PLC的硬件结构框图5.1概述14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512点以上4KB以上大型数控设备、FMC、FMS、CIMS等则需要采用中、大型规模的可编程控制器。5.1概述表5-1PLC的规模及其应用155.2数控机床用PLC一、数控机床PLC的结构形式内装型（Built-inType）PLC（或称集成式、内含式）。它是为数控设备顺序控制而设计制造的专用PLC。独立型（Stand-aloneType）PLC（或称“通用型”PLC）。它是适应范围较广、功能齐全、通用化程度较高的PLC。161）“内装型”PLC内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT间则通过CNC输入／输出接口电路实现信号传送。5.2数控机床用PLC17CNC装置┇机床电气柜NCPLC输入、输出电路CRT/MDI面板机床操做面板强电、气、液动控制电路刀库伺服单元主轴伺服单元进给伺服单元位置检测图5－3具有内装型PLC的CNC机床系统框图18“内装型”PLC的特点：1）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或可选择的功能提供给用户。2）系统硬件和软件整体结构十分紧凑，且PLC所具有的功能针对性强，技术指标亦较合理、实用，尤其适用于单机数控设备的应用场合。3）在系统的具体结构上，内装型PLC可与CNC共用CPU，也可以单独使用一个CPU；硬件控制电路可与CNC其他电路制作在同一块印刷板上，也可以单独制成一块附加板，内装PLC使用CNC系统本身的输入／输出电路；所用电源由CNC装置提供。5.2数控机床用PLC194）采用内装型PLC结构，CNC系统可以具有某些高级的控制功能。如：梯形图编辑和传送功能，在CNC内部直接处理NC窗口的大量信息等。采用内装型PLC省去了PLC与NC间的连线，又具有结构紧凑、可靠性好、安装和操作方便等优点，和在拥有CNC装置后，又去另外配购一台通用型PLC作控制器的情况相比较，无论在技术上还是经济上对用户来说都是有利的。5.2数控机床用PLC202）“独立型”PLC独立型PLC是独立于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的装置。5.2数控机床用PLC21图5－4具有独立型PLC的CNC机床系统框图PLC装置CNC装置NCPLC输入、输出电路CRT/MDI面板机床操做面板位置检测┇机床电气柜强电、气、液动控制电路刀库伺服单元主轴伺服单元进给伺服单元输入、输出电路输入、输出电路22“独立型”PLC的特点：1）独立型PLC具有如下基本的功能结构：CPU及其控制电路，系统程序存储器，用户程序存储器、输入／输出接口电路、与编程机等外部设备通信的接口和电源等。2）独立型PLC一般采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印刷电路插板，具有安装方便，功能易于扩展和变更等优点。3）独立型PLC的输入、输出点数可以通过I／O模块或插板的增减灵活配置。有的独立型PLC还可通过多个远程终端连接器构成有大量输入、输出点的网络，以实现大范围的集中控制。5.2数控机床用PLC23独立型PLC可用作单元控制器，也可用于单机控制。国外有些数控机床制造厂家，或是为了展示自己长期形成的技术特色，或是为了保守某些技术绝窍，或纯粹是因管理上的需要，在购进的CNC系统中，舍弃了PLC功能，而采用外购或自行开发的独立型PLC作控制器。5.2数控机床用PLC24二、CNC、PLC、机床之间的信号处理过程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。5.2数控机床用PLC25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。5.2数控机床用PLC26三、CNC、PLC、机床之间的信息交换PLC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。PLC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。机床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。5.2数控机床用PLC27四、PLC的工作过程用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行，这是PLC的基本工作过程。CPU是按分时操作原理。这种分时操作的过程，称为CPU对程序的扫描。对用户程序的循环扫描执行过程，可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。5.2数控机床用PLC28图5-5PLC程序执行的过程5.2数控机床用PLC输入端子输入映像寄存器输出映像寄存器输出锁存电路输出端子输入信号.........输出信号输入采样阶段程序执行阶段输出刷新阶段重复工作291）输入采样阶段PLC以扫描方式将所有输入端的输入信号状态（ON/OFF状态）读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样。2）程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。3）输出刷新阶段在输出刷新阶段将输出映像寄存器中的状态转存到输出锁存电路，再经输出端子输出信号去驱动用户输出设备。PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次就是一个工作周期（或称扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短有关。5.2数控机床用PLC30快速响应措施采用高速响应的输入/输出模块将顺序程序分为快速响应的高级程序和一般响应速度的低级程序两类。5.2数控机床用PLC