基于PLC的数控车床电气控制系统设计

I摘要数控机床是一种机电一体化的数字控制自动化机床。早期的数控机床是依靠继电器逻辑来实现相应的功能。由于继电器逻辑是一种硬接线系统，布线复杂，体积庞大，更改困难，一旦出现问题，很难维修。这样的系统，其可靠性往往也不高，影响正常的生产。本文正是针对这一问题展开工作的。本文介绍了用三菱FX2N微型可编程控制器对CK9930机床的电气控制部分的改造设计，重点阐述了数控机床PLC的功能、机床的电气控制原理及相应的PLC程序编制与调试三方面的问题。并且详尽地展示了PLC控制程序的开发过程。根据数控车床所承担加工任务的特点，可知其操作过程比较复杂。要用PLC控制车床动作，必须将PLC及其控制模块和相应的执行元件加以组合。所以在该控制程序的开发过程中，采用了模块化的结构设计方法。本文主要完成了主轴控制、坐标轴控制、自动换刀控制、定时润滑控制以及报警处理等功能的PLC控制程序的开发。并且利用FXGP_WIN-C软件编写了该机床的PLC控制程序，并借助其运行、监控功能，通过相关设备，观察了程序的运行情况。关键词：PLC控制，数控车床，梯形图II目录第一章概述………………………………………………………………………11.1数控系统的工作原理…………………………………………………11.1.1数控系统的组成…………………………………………………11.1.2数控系统的工作原理……………………………………………21.2PLC的硬件与工作原理………………………………………………31.2.1PLC的简介………………………………………………………31.2.2PLC的基本结构…………………………………………………31.2.3PLC的工作原理…………………………………………………4第二章数控车床的PLC…………………………………………………………52.1数控车床PLC的信息传递………………………………………………52.2数控车床中PLC的功能…………………………………………………62.2.1PLC对辅助功能的处理…………………………………………62.2.2PLC的控制对象…………………………………………………62.3用PLC实现车床电气控制系统的功能…………………………………72.4利用PLC代替继电器—接触器控制方式的优越性…………………8第三章CK9930数控车床电气控制分析………………………………………93.1车床主要结构和运动方式……………………………………………93.2车床对电气控制的要求………………………………………………93.3车床的电气控制电路分析……………………………………………103.3.1主电路分析……………………………………………………113.3.2控制电路分析…………………………………………………11第四章PLC控制程序的设计……………………………………………………124.1PLC程序设计方法……………………………………………………124.1.1PLC的程序设计步骤……………………………………………124.2PLC程序的模块化设计…………………………………………124.3输入输出分配………………………………………………………124.4梯形图程序设计………………………………………………………154.4.1梯形图总体框图………………………………………………15III4.4.2公用程序………………………………………………………164.4.3回原点程序……………………………………………………164.4.4主轴控制程序…………………………………………………174.4.5坐标轴控制程序………………………………………………174.4.6报警处理程序…………………………………………………184.4.7定时润滑控制程序……………………………………………184.4.8冷却程序………………………………………………………194.4.9自动换刀控制程序……………………………………………194.4.10需要说明的问题……………………………………………214.5梯形图程序的调试……………………………………………214.6本章小结……………………………………………………21结论……………………………………………………………………………22参考文献……………………………………………………………………………235第1章概述CK9930型数控车床配备的是华中I型数控系统，是一种比较老式的小型简易经济型数控系统。随着数控技术的不断进步与发展，这一数控系统已不能满足加工要求，本课题就是对现有的CK9930数控车床所进行的改造项目的一个组成部分。主要是车床电气控制部分进行改造。车床电气控制系统是控制车床各部分的工作、协调完成车床加工任务的核心部分，它由大量继电器构成一个复杂的逻辑控制电路。该车床复杂的继电器逻辑控制线路构成的电气控制系统故障率高，难于维护，很有必要对其进行改造，即用PLC代替继电器--接触器控制方式。1.1数控系统的工作原理国际信息处理联盟对数控机床做了如下定义定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。这里所说的程序控制系统就是数控系统（NumericalControl,简称NC）而现在的数控系统都是以计算机作为控制中心，所以称为计算机数控(ComputerizedNumericalControl,简称CNC)。1.1.1数控系统的组成CNC系统的一般结构如图1.1所示，CNC系统主要是指图中的CNC控制器，它是由计算机硬件、数控系统软件及相应的输入/输出接口构成的专用计算机和可编程控制器所组成。前者处理机床轨迹运动的数字控制，后者则处理开关量的逻辑控制。6计算机硬件与数控系统软件可编程控制器PLC主轴控制单元电气控制单元速度控制单元主轴电动机机床电器进给电动机位置检测输入设备输出设备程序编程计算机操作面板打印机显示设备CNC控制器图1-1CNC系统的一般结构框图1.1.2数控系统的工作原理虽然数控系统种类繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通过运算器进行插补运算，然后对进给轴进行闭环控制，实现机床的数控功能。（1）进给系统控制进给系统的控制大多是通过控制步进电机来实现的。步进电机是一种在外加电脉冲信号的作用下一步一步地运转,将电脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。其角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入同步,控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电顺序,便可获得所需的转角、速度及转动方向；无脉冲输入时,在绕组电源的激励下,气隙磁场使转子保持原来的位置状态。利用这一原理,便可实现加工时纵、横向的进给,并可获得较高精度。（2）开关量控制数控机床的开关量信号控制是通过PLC来完成的。机床的各开关量可通过I/O口进行信息交换。由于I/O口可输入信号和输出信号,其输出信号经过逻辑译码电路转换成多路的输出信号,可实现主轴电机、冷却泵及主轴变速等的控制；输入口可接受行程限位开关暂停、主轴同步脉冲、选刀回答等信号。从而实现各种状态的检测,最终实现机床的各开关量控制。（3）主轴控制数控系统只对主轴系统进行开关控制。数控装置通过PLC对主轴系统进行起停控制。71.2PLC的硬件与工作原理1.2.1PLC简介可编程序控制器（ProgrammableController）简称PC，为了不与个人计算机（也简称PC）混淆，通常将可编程序控制器称为PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，并被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。与一般微机控制系统最大的区别是，PLC必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围。1.2.2PLC的基本结构PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。PLC硬件系统的基本结构如图1.2所示。输入接口及模块输出接口及模块通信接口及模块数据存储器中央处理单元（CPU）继电器接触器手动开关限位开关光电传感器电磁阀接近开关编码器数字开关变频器输入端指示灯蜂鸣器数码显示器电源电源计算机编码器现场输入开关元件PLC主控单元现场被控执行器系统程序存储器用户程序存储器图1-2PLC的基本结构示意图PLC的软件系统则包括系统软件和用户应用软件。从广义上讲，可编程序控制器PLC实质上是一种专用工业控制计算机，只不8过比一般的计算机具有更强的与工业过程相联接的接口，以及具有更直接的适用于工业控制要求的编程语言。1.2.3PLC的工作原理（1）PLC的工作过程PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。PLC的工作过程如图1.3所示。图1-3PLC的工作过程（2）用户程序的循环扫描过程PLC的工作过程与CPU的操作模式有关。CPU有两个操作模式:STOP模式和RUN模式。在扫描周期内，STOP模式和RUN模式的主要差别是：RUN模式下执行用户程序，而在STOP模式下不执行用户程序。PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。初始化CPU自诊断通信信息处理与外部设备交换信息执行用户程序输入输出信息处理9第2章数控车床PLC在数控车床中，位置控制是由位置控制器来实现的。而其它的大部分动作即辅助机械动作的控制如主轴启停、换向,换刀控制、冷却和润滑系统的运行以及报警监测等功能则可由可编程控制器(PLC)来实现。2.1数控车床PLC的信息传递通过PLC来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通过按钮和检测元件输入PLC，再通过PLC内部程序的运算将结果输出到各种执行设备，完成电气控制系统对于车床的控制。所以就涉及PLC与数控装置、机床之间的信息交换。可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装置I/0口的联接可归纳为下列三部分：（1）PLC输入输出端与机床面板信号联接CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关和指示灯等，按钮、旋钮开关直接与可编程控制器的输入端接线柱相连，指示灯直接与PLC输出端接线柱相连。（2）PLC输出端与机床强电信号联接PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分，如:主控电源、伺服电源、刀架电机正转、润滑电机等。每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PLC中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。（3）PLC输入端与CNC机床数控装置I/O口的联接可编程控制器输出端的通断是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装置与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC输入端的通断，以决定PLC输出端的状态。从数控装置I/O口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装置从I/O口输出指令，控制PLC完成相应的动作；另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装置的I/O口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。2.2数控车床中PLC的功能2.2.1PLC对辅助功能的处理10目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面己趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码。归纳起来有4种功能:一种是准备功能，即所谓的G代码；第二种是辅助功能，即所谓的M代码；第三种是刀具功能，即所谓的T代码；第四种是转速功能即所谓的S代码。其中，G功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I/0接口实现；M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能；T功能与刀具的选择和补偿有关。⑴M功能的处理M指令主要有M02(程序停止)、M03(主轴顺时针旋转)、M04(主轴逆时针旋转)、M05(主轴停止)、M06(准备换刀)等。其中一部分是由