数控原理与系统第7章数控机床电气控制系统课件

CPU (CNC/PLC)
CPU (CNC)
内 部
PLC
总 线
EPROM
(a) PLC和CNC共用CPU
输出 输入
内
PLC
部
CPU
总
线
EPROM
(b) PLC专用CPU
图7.4 内装型PLC逻辑结构图
输出 输入
第7章 数控机床电气控制系统
7.2 JBK-30型数控系统及其在CJK0630A 车床上的应用
5 43 76
21 3
PE
C' B' A' C B A C' B' A' C B A
～220V
图7.6 JBK-30型数控系统接口定义
第7章 数控机床电气控制系统
7.2.2 CJK0630A数控车床传动结构和控制要求
CJK0630A数控车床是具有两轴联动功能的
教学型数控车床，其结构比较简单，传动系统如
0～9999r/min，用于带专用主轴驱动单元 的连续或分段无级主轴调速。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
3．T功能
T功能即刀具功能，T代码后跟随
2～5位数字表示要求的刀具号和刀具补偿
号。数控机床根据T代码，通过PLC可以管
理刀库，自动更换刀具，也就是说根据刀
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
2．S功能
S功能主要完成主轴转速的控制，有
S2位代码和S4位代码两种编程形式。S2位
代码用字母“S”后跟2位十进制数的形式来 指定主轴转速，S00～S99共100级，主要 用于分档调速的主轴。S4位代码用字母“S”
后跟4位十进制数的形式来指定主轴转速， 例如，S1500就直接表示主轴转速为 1500r/min。S4位代码表示的转速范围为
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
系统采用交流220V电源供电，螺纹插座用 来连接主轴编码器，T功能插座用于刀架电机的 控制和接收刀位开关信号，S.M功能插座用来控 制主轴换档和主轴启动/停止等辅助控制，X电机 插座和Z电机插座为步进电动机驱动电源的输出， 用来驱动X轴和Z轴步进电机。各插座的接口定义 如图7.6所示。
各辅助功能的执行条件是不完全相同 的，从而可以分为4种动作类型。有的辅助 功能在它所在程序段开始执行时就立即起 作用，这类辅助功能称为段前辅助功能， 记为I，例如M03、M04等。有些辅助功能 要等到它所在程序段中的坐标轴运动完成 之后才起作用，故称为段后辅助功能，记 为A，例如M05、M09等。
无需另外连线。与被控机床开关量信号的传送通
过CNC装置的I/O电路完。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
CNC装置
CNC
DI/DO
计
PLC
电路 算
机
MDI/CRT面板 操作面板 强电电路 主轴单元
辅助动作 换刀动作 冷却开关
主轴电动机
进给单元
进给电动机
图7.3 内装型PLC的CNC系统框图
13
14 32
15 33
16 34
17 35
18 36
19 37
S1
S3 S5 S7
S9 +24V地 空
+24V M21 M23 M25 M27
备用 +24V地 备用 +24V 备用 备用
螺纹
21
1200 SIN 5 4 3
+5V
+5V地
7 6 1200 COS 零脉冲
X电机
21
Z电机
21
电源
5 43 76
繁通/断的交流电动机电源回路，为了防止其对
数控系统产生干扰，一般要加阻容吸收电路。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
机床控制电路主要用来实现对机床的液压、
冷却、润滑、照明等进行控制，该电路的控制原
则与普通机床相同，但有些开关信号来自数控系
统，而且在交流接触器、继电器线圈的两端要加
来处理PLC的功能，功能较强，速度较快；用于规
模较大，逻辑复杂，动作速度要求高的数控系统中。
由于内置型PLC与CNC一体化设计，与CNC内
部直接处理数据的能力强，外部接线简单，可靠性
高，整体造价较低，具有较高的性能/价格比。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
阻容吸收。
数控系统接口电路用来完成信号的变换和连 接。由于在数控系统内部是直流弱电信号，而机 床电气控制电路是交流强电信号，为防止电磁场 干扰或工频电压串入计算机数控系统中，一般采 用光电耦合器进行隔离。常见的接口电路如图 7.1所示。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
机床主电路主要用来实现电能的分配和短路
保护、欠压保护、过载保护等功能。在控制要求
较高的数控机床总电源回路中，为了保证数控系
统的可靠运行，一般要通过隔离变压器供电；对
于电网电压波动较大的应用场合，还要在总电源
回路中加装稳压器；对于主回路中容量较大、频
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
刀架反转 +24V 空
+24V地 换刀应答
T20 T40 T60 T80 负超程 M06收信 备用 +24V地
S.M.功能
S2
S4
T.功能
S6
1 2
14
3 4
15 16 17
5 18
6 7 8
19 20
9 10
21 22
11 12
根据所用PLC与CNC装置之间的关系
不同，数控系统中的PLC分为内装型PLC和
独立型PLC两种配置形式。
1．独立型PLC
所谓独立型PLC实际上也就是一个通用 型PLC，它完全独立于CNC装置，具有完备 的硬件和软件，能够独立完成逻辑顺序控 制任务。它与CNC装置、数控机床之间的 关系如图7.2所示。
第7章 数控机床电气控制系统
独立型PLC不但要进行机床侧的I/O连接，还要进
行CNC装置侧的I/O连接。CNC和PLC都有自己的开关量
I/O接口电路，PLC的I/O点数和功能可根据被控机床辅
助动作的复杂程度而定。数控车床、数控铣床等单台
数控设备，所需PLC的I/O点数大多在64点以下，加工
中心等复杂设备在64点以上，这时选用微型或小型
第7章 数控机床电气控制系统
该数控系统采用一体化结构，操作面板、电
源、CNC控制电路以及步进电机的驱动电路全部
安装在一个控制箱中。在操作面板上装有4排LED
数码管显示器；在显示器右边有40个编辑键，8
个状态键，8个控制键。在控制箱后面板上，装
有交流220V电源插座、螺纹插座、T功能插座、
M.S功能插座、X电机插座和Z电机插座。
第7章 数控机床电气控制系统
内置型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可
以设置专用的CPU，其逻辑电路结构如图7.4所示。
与CNC 共用CPU可以进一步更充分地利用CNC装置
中微处理器的余力来完成PLC的功能，并且使用元
器件较少，但I/O点数不可能太多，功能也有限，
一般用于中低档数控系统。后者由于有自己的CPU
为了简单起见，其辅助动作的控制常用继电
器逻辑实现。而在功能比较完善的数控机床
上，其辅助动作的控制逻辑一般都比较复杂，
如果仍使用继电器实现，则电路的设计和调
试将比较困难，可靠性也差。因此，多数数
控机床都采用可编程控制器（PLC）来完成辅 助运动的控制。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
外部
+
开关
24V;5V
R3 10K
R4
510
至内部 电路
C1 104
+24V VD1
V1
+
VD2 V2
至被控 负载
-
（a）直流输入接口
(b) 达林顿晶体管输出接口
图7.1 数控系统开关量输入/输出接口
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
编 辑 急 停 自 动 回 零 手 动 1手 动 2手 动 3 MDI
急停
电 源
点动 暂停 单段 连续 功放
速度倍率
-X
-Z
+Z
+X
（a） 外观结构
第7章 数控机床电气控制系统
S、 M功 能 T 收信功能
其它功能
螺纹功能
X电 机
Z电 机 电 源
（b）后面板结构
图7.5 JBK-30型数控系统外部结构
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
CNC装置
CNC
计
DI/DO
算
电路
机
PLC装置
DI/DO 电路
PLC
CPU 电路
DI/DO 电路
MDI/CRT面板 操作面板 强电电路 主轴单元 进给单元
辅助动作 换刀动作 冷却开关
主轴电动机
进给电动机
图7.2 独立型PLC与CNC、数控机床之间的关系框图
第7章 数控机床电气控制系统
7.1 概 述
数控机床是典型的机电一体化产品，除 了计算机数控装置和伺服驱动装置之外，还 必须有配套的电气控制电路和辅助功能控制 逻辑 。
7.1.1数控机床电气控制电路 数控机床的电气控制电路包括主电路、控制电路、数
控系统接口电路等几个部分，涉及低压电器元件、机床 电气控制技术和数控系统接口等知识。
7.2.1 JBK-30型数控系统简介
JBK-30型数控系统是一种经济（简易）
型数控系统，主要用于经济型和教学型数
控车床的控制，也可以用作普通车床的数
控改造，其外部结构如图7.5所示。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
JBK-30型 数 控 系 统
JBK-30T
M00 程序停 M01 选择停 M02 程序结束 M03 主轴顺时针 M04 旋转 M05 主轴逆时针 M06 旋转
主轴停 换刀准备
A M07 A M08 A M09 I M10 I M11 A M30 C
液状冷却开 I
雾状冷却开 I
冷却液关 A
夹紧
H
松开
H
程序结束并 A
倒带
第7章 数控机床电气控制系统
具和刀具座的编号，可以简便、可靠地进
行选刀和换刀控制。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
7.1.3数控系统中的可编程控制器（PLC）
数控系统辅助控制功能以开关量顺序
控制为主，可采用继电器控制逻辑或可编程
序逻辑控制器（PLC）实现。在一些经济型的 数控车床和辅助动作比较简单的数控机床上，
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
有些辅助功能只在本程序段内起作用， 当后续程序段到来时便失效，称为当前辅 助功能，记为C类，例如M06等。还有一些 辅助功能一旦被执行便一直有效，直至被 注消或被取代为止，称为保持类辅助功能， 记为H类，例如M10、M11等。对于不同动 作类型的辅助功能，在用逻辑电路或编写 PLC程序实现时，其处理方法也将不同。
23 24 25
13
S8
刀架正转
S10
+24V
+24V地
空
空
+24V地
+24V
T10
M22
T30
M24
T50
M26
T70
M28
正超程
备用
X机械原点 +24V地
M21收信 备用
Z机械原点 +24V 备用
备用
1
2 20
3 21
4 22
5 6
23 24
7 8
25 26
9 10
27 28
11 12
29 30 31
7.1.2数控辅助功能
数控系统除了用于进给位置控制的准备功能
（G功能）之外，还有用于零件装卸、冷却液开关、
主轴启停等控制的辅助功能(M功能),以及用于指定
主轴转速的S功能、用于刀具更换的T功能。这些
辅助动作控制功能通称为数控辅助功能。
1.辅助功能M
辅助功能M，用来控制主轴的正反转及停止，
主轴齿轮箱的变速，冷却液的开关，卡盘的夹紧和
内装型PLC也叫内置型PLC，内装型PLC的
全部功能包含在CNC装置内，从属于CNC装置，
与CNC装置集成于一体，如图7.3所示。
在内含PLC的数控系统中，其PLC的硬件
和软件作为CNC装置的基本功能统一设计，并且
其性能指标也由CNC系统来确定。内置型PLC与
所从属CNC装置之间的信号传送均在其内部进行，
PLC上即可。而对于大型数控生产线，如FMC、FMS、
CIMS等，则需要选用中型或大型PLC。
独立型PLC配置灵活，不受CNC的限制。但是其连
线复杂，与CNC之间的联系不紧密，造价较高，性能/
价格比较低。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
2．内装型PLC
松开，以及自动换刀装置的取刀和还刀等。在零件
程序中，用字母“M”后跟2位十进制数字构成的M
代码编程。表7.1所示，为某数控系统的基本辅助
功能。
数控原理与系统》第7章数控机床电气控 制系统课件
第7章 数控机床电气控制系统
表7.1 基本辅助功能动作类型
辅助功能 代码
功能
类型 辅助功能 功 能 类型 代码