第七章 数控机床

第二节 数控系统中的PLC概述
• 2．存储器单元 • PLC存储器主要包括随机存储器RAM和只读存储 器ROM。用于存放用户程序、工作数据和系统程 序。用户程序是指用户根据现场的生产过程和工艺 要求而编写的应用程序，在修改调试完成后可由用 户固化在EPROM中或存储在磁盘中。工作数据是 PLC运行过程中需要经常存取，并且随时改变的一 些中间数据，为了适应随机存取的要求，它们一般 存放在RAM中。 • 可见PLC所用存储器基本上由EPROM、RAM和 PROM三种形式组成，其存储容量随着PLC类别或 规模的不同而改变。
第二节 数控系统中的PLC概述
• SINUMERIK810数控系统的I/O模块采用内装型PLC结 构，扩展了CNC内部直接处理数据的能力，可以使用 梯形图编辑，传送复杂的控制功能，提高了CNC系统 的性能／价格比。 • 世界上著名的数控系统生产厂家均在其CNC系统中开 发了内装型PLC功能，如日本的FANUC公司、德国的
第四节 数控系统中的PLC控制功能实现
• 2．S功能的实现 • S功能是主轴转速控制功能，以往用S2位代码形式指定主轴转速，现 代数控系统一般用S4位代码来编程。 • S4位代码编程是指用S后跟4位十进制数字来直接指定主轴转速，如 S1500表示主轴转速为1500r/min。如图7-12所示。数控系统控制主 轴转速时，要进行限幅处理，以保证主轴转速处于一个安全范围内。 如将主轴转速限制在20r/min～6000r/min，一旦主轴转速超过给定上 下边界值时，则取相应边界值输出即可。 • 为了提高主轴转速的稳定性，保证低速切削时有足够的转矩，有些数 控系统以600r/min为标准，增设了一级齿轮变速，并通过辅助功能代 码来进行换档。例如，当S＜600r/min时，使用M38可将主轴转速变 换成20r/min～600r/min范围；当S≥600r/min时，使用M39代码可将主 轴转速变换成600r/min～6000r/min范围。
第二节 数控系统中的PLC概述
图7-2 PLC控制系统的组成
第二节 数控系统中的PLC概述
1．中央处理单元CPU
PLC中的CPU与通用计算机中的CPU一样，是PLC的核心。 PLC实现的控制任务，主要是完成一些动作和速度要求 不特别快的顺序控制，在一般情况下，不需要使用高速 的微处理器。 中、小型PLC常用8位或16位微处理器，大型PLC则采用 高速单片机。
第二节 数控系统中的PLC概述
图7-6 内装型PLC的CNC系统框图
第二节 数控系统中的PLC概述
• 内装型PLC的性能指标是根据所从属的CNC系统的规格、 性能、适用机床的类型等确定的。 • 其硬件和软件都被作为CNC系统的基本功能与CNC系统统 一设计制造的。因此系统结构十分紧凑。 • 在系统的结构上，内装型PLC可与CNC共用一个CPU，如 图7-7a）所示，也可单独使用一个CPU，如图7-7b）所示。 • 内装型PLC一般单独制成一电路板，插装到CNC主板的插 座上，PLC与所从属CNC系统之间的信号传送均在其内部 进行，不单独配置I/O接口，而是使用CNC系统本身的I/O 接口，PLC控制部分及部分I/O电路所用电源由CNC系统提 供。
第三节 数控系统中PLC的信息交换
数控系统中PLC的信息交换是指以PLC为中心，在CNC、 PLC和MT（机床）三者之间的信息交换。 CNC、PLC和MT之间的信息交换包括以下四个部分。
1．CNC→PLC
2．PLC→CNC
3．PLC→MT
4．MT→PLC
第三节 数控系统中PLC来自百度文库信息交换
• 下面以FAGOR 8025/8030车床系统中的PLC为例介绍信 息的交换过程，如图7-11所示。
第一节 概 述
图7-1 数控系统内部信息流
第二节 数控系统中的PLC概述
• 一、PLC的结构、特点及其工作过程 • （一）PLC的基本结构 • PLC的种类型号很多，大、中、小型PLC的功能不尽相 同，但它们的基本结构形式大体上是相同的，都是由中 央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）单元、输 入/输出单元（I/O）、编程单元、电源单元和外部设备 等组成，并且内部采用总线结构。如图7-2所示。
第一节 概 述
• 数控系统除了对机床各坐标轴的位置进行连续控制外，还 需要对机床主轴正反转与启停、工件的夹紧与松开、冷却 液开关、刀具更换、工件及工作台交换、液动与气动以及 润滑等辅助功能进行顺序控制。顺序控制的信息主要是I/O 控制，所谓顺序控制是按生产工艺要求，根据事先编好的 程序，在输入信号的作用下，控制系统的各个执行机构按 一定规律自动实现动作的顺序控制。 • 这些功能的控制优劣将直接影响数控机床的加工精度、加 工质量、生产效率及其稳定性。 • 数控系统内部信息流大致分为两类，一类是控制机床坐标 轴运动的连续数字信息；另一类是通过PLC控制的辅助功 能（M、S、T等）信息。如图7-1所示。
第二节 数控系统中的PLC概述
二、数控系统中的PLC分类 数控系统中的PLC可分为“内装型”（Built-in-Type） PLC和“独立型”（Stand-alone-Type）PLC两种类型。 1．内装型PLC 内装型PLC是指PLC内置于CNC装置内，从属于CNC装置， 与CNC装置集于一体，如图7-6所示。
第三节 数控系统中PLC的信息交换
• （2）PLC的输出 PLC共有64个输出信号，其中24个外 部输出信号通过I/O1输出，其编号为O1～O24，它们主要 是给机床输入各种开关量信号。另外40个内部逻辑输出信 号通过内部存储器由PLC传送给CNC，其编号为O25～ O64 .
第四节 数控系统中的PLC控制功能实现
图7-11 FAGOR系统的信息交换
第三节 数控系统中PLC的信息交换
• 内装型PLC的输入信号I42～I104借助于连接器I/O1和I/O2 将CNC的输出传递给机床，同时借助于I/O1和I/O2将机床 信息通过PLC的O25～O64传送给CNC。另外，I/O3为主 轴和6个进给轴的伺服系统提供模拟输出控制电压。I1～ I41分散与三个连接器连接，其中I/O1上有8个输入信号， I/O2上有32个输入信号，I/O3上有一个输入信号，O1～ O24与I/O1连接。 • （1）PLC的输入 PLC共有104个输入信号，其中41个 外部输入信号，其编号为I1～I41，它们主要是机床上的有 关输入信号。另外63个内部逻辑输入信号，通过内部存储 器由CNC传送给PLC，其编号为I42～I104。
第二节 数控系统中的PLC概述
3．输入/输出（I/O）模块
I/O模块是PLC与外部设备或现场I/O装置之间进行信息交 换的桥梁。
4．编程单元
编程单元是提供用户进行程序的编制、编辑、调试、监视 以及运行应用程序的特殊工具，一般由键盘、智能处理器、 显示屏、外部设备（如硬盘/软盘驱动器等）组成，它通 过通信接口与PLC相连，完成人机对话功能。 编程单元分为简易型和智能型两种。简易型编程单元只能 在线编程，它通过一个专用接口与PLC连接；智能型编程 单元既可在线编程也可离线编程，还可通过微型计算机接 口或打印机接口，实现程序的存储、打印、通信等功能。
第二节 数控系统中的PLC概述
图7-7 内装型PLC中的CPU a）PLC和CNC共用CPU b）PLC具有专用CPU
第二节 数控系统中的PLC概述
• SINUMERIK810数控系统的I/O模块如图7-8所示。
图7-8 SINUMERIK810数控系统的I/O模块
1—CNC系统（背面） 2—I/O模块 3—I/O子模块 4—输出端子板 5—输入端子板 6—机床操作面板
图7-4 PLC的扫描过程
第二节 数控系统中的PLC概述
图7-5 PLC的工作过程
第二节 数控系统中的PLC概述
• 通过编程单元将用户程序顺序输入用户存储器，CPU对用 户程序循环扫描并顺序执行，这是PLC的基本工作方式。 图7-4给出了GE系列PLC的CPU扫描过程。只要PLC接通 电源，CPU即对用户存储器内程序进行扫描。每扫描一次， CPU进行输入点的状态采集、用户程序的逻辑解算、相应 输出状态的更新和I/O执行。接入编程单元时，也对编程 单元的输入产生响应，并更新其显示。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。完 成自检后，CPU又从存储器的0000H地址重新开始扫描运 行。
SIEMENS公司等。
第二节 数控系统中的PLC概述
2．独立型PLC 独立型PLC是完全独立于CNC系统、具有完备的硬件和软件 功能、能够独立完成CNC系统规定控制任务的装置，如图79所示。
图7-9 独立型PLC的CNC系统框图
第二节 数控系统中的PLC概述
• 独立型PLC的基本功能结构，与通用型PLC相同。 • 由图7-9可见，独立型PLC的CNC系统中不但要进行机床侧的I/O连 接，而且还要进行CNC系统侧的I/O连接，CNC和PLC均具有各自的 I/O接口电路。 • 独立型PLC一般采用模块化结构，装在插板式机笼内，I/O点数和规 模可通过I/O模块的增减灵活配置。 • 对于数控车床、数控铣床和加工中心等单台设备，选用微型或小型 PLC； • 对于FMC、FMS、FA、CIMS等大型数控系统，则需要选用中型或 大型PLC。 • 独立型PLC造价较高，其性能／价格比不如内装型PLC。 • 生产通用型PLC的厂家很多，数控系统中选用较多的产品有德国 SIEMENS公司的SIMATIC S5、S7系列、日本FANUC公司的PMC 系列、日本OMRON公司的OMRON－SYS－MAC系列、三菱公司 FX系列等。西门子公司的SIMATIC S7-300可编程序控制器如图710所示。
第七章 数控系统中的PLC控制
本章着重介绍了数控系统中PLC的组成、分类 及工作过程；数控系统中PLC与CNC、MT之间的 信息交换；数控系统中PLC控制功能（M、S、T） 的实现方法；数控系统中的PLC在数控机床主轴运 动、润滑系统、自动换刀以及零件计数等方面的具 体应用。通过本章学习,对数控系统中的PLC控制过 程有一个较全面的了解，对辅助功能控制与实现有 较深刻的认识。
第二节 数控系统中的PLC概述
图7-10 SIMATIC S7-300可编程序控制器
第二节 数控系统中的PLC概述
• 总的来说，内装型PLC多用于单微处理器的CNC系统中， 而独立型PLC主要用于多微处理器的CNC系统中。但它们 的作用是相同的，都是配合CNC系统实现刀具的轨迹控制 和机床顺序控制。
第二节 数控系统中的PLC概述
图7-3 SIMATIC S7-300结构图
第二节 数控系统中的PLC概述
（二）PLC的特点 1．可靠性高 2．灵活性好
3．编程简单
4．与现场信号直接连接
5．安装简单、维修方便
6．网络通信
第二节 数控系统中的PLC概述
• （三）PLC的工作过程 • PLC的工作过程是在硬件的支持下运行软件的过程，如图 7-4和图7-5所示。
第二节 数控系统中的PLC概述
• 5．电源单元 • 电源单元的作用是将外部提供的交流电转换为 PLC内部所需的直流电源。一般地，电源单元有 三路输出，一路供给CPU模块使用；一路供给编 程单元接口使用；还有一路供给各种接口模板使 用。由于PLC直接用于工业现场，因此对电源单 元的技术要求高，不但要求它具有工作电源稳定， 而且还有过电流和过电压的保护功能，以及较好 的电磁兼容性能，以适应电网波动和温度变化的 影响，防止在电压突变时损坏CPU。 • 如图7-3所示为西门子SIMATIC S7-300型可编程 序控制器结构图。
第二节 数控系统中的PLC概述
• • • • • 图7-5是一个行程开关PB1被压下时PLC的控制过程。 1）当按钮PB1压下，输入继电器X401的线圈接通； 2）X401常开触点闭合，输出继电器Y430通电； 3）外部输出点Y430闭合，指示灯亮； 4）当PB1被放开时，输入继电器X401的线圈不再工作，其对应的触 点X401断开，这时输出继电器Y430仍保持接通，这是因为Y430的触 点接通后，其中的一个触点起到了自锁作用； • 5）当行程开关LS1被压下时，继电器X403的线圈接通，X403的常闭 触点断开，使得继电器Y430的线圈断电，指示灯灭，输出继电器 Y430的自锁功能复位。 • 6）PB1被按下的同时，X401的另一个常开触点接通另一个梯级，这 时若触点M100也处于闭合状态，定时器通电，到达定时器设定的时 间后，定时器断开。
• 在数控系统中，机床离散信息的控制主要是M、S、 T功能代码，通过PLC输入/输出接口，来协调刀 具轨迹和机床动作的顺序控制。 • 1．M功能的实现 • M功能称为辅助功能，用M后跟二位数字来表示。 根据M代码的编程，可以实现机床主轴正反转及 停止，数控加工程序运行停止，冷却液的开关， 自动换刀，卡盘的夹紧和松开等功能的控制。