可编程控制器在数控机床控制方面的应用如何？

可编程序控制器在机床数控系统中应用探讨

近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。永宏FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC更精准，且程序的设计和调试相当方便。本文提出的是如何应用永宏PLC的NC定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数控机床设计改造借鉴。

2 数控机床组成结构及工作过程

本例数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成。

输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰;目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数(含机床正常、理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等)，一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。数控装置是数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。可编程控制器对主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速;管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理;控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作;还对机床外部开关(行程开关、压力开关、温控开关等)进行控制;对输出信号(刀库、机械手、回转工作台等)进行控制。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。数控机床的工作过程如图2所示。

图2 数控机床的工作过程框图

数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使用方法等。机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各部位状态等多项工作内容。程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查和调整。试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。前三步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响对机床利用率的评价(即机床实动率)。

3 机床数控系统需要解决的几个问题

机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。机床控制系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。同时为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。PLC按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作，另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品,在机床的电气控制中应用也比较普遍。目前，可编程控制器(PLC)广泛应用于数控机床等工业控制中。数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分，数字控制部分包括对各坐标轴位置的连续控制，而顺序控制包括对主轴正/反转和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作的控制。现代数控机床采用PLC代替继电器控制来完成逻辑控制，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。

在吸收国外先进技术的基础上，小规格全功能CK160数控车床。该数控车床采用日本FANUC公司的POWERMATE0数控系统，配置全数字交流伺服装置，主轴采用进口变频器控制，数控系统内置PLC，功能指令强，使用方便、灵活、用户易懂。

现以CK160为例，说明PLC在数控机床上的应用。

2车床的PLC数控系统控制原理设计

2.1车床的操作要求

车床一般加工回转表面、螺纹等。要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换;并且能进行中步操作。

2.2PLC数控系统需解决的问题

车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：

1)如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调;

2)如何改变进给系统速度;

3)车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。

将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。

2.3数控系统的控制原理

普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取0.01mm,X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。

3数控机床改造的可行性

普通机床改造成数控机床是指对普通机床某些部位机械结构做一定的改造，加上数控装置，从而使普通机床具有数控加工能力。

机床数控化改造主要内容有以下几点：

其一是恢复原功能。对机床存在的故障部分进行诊断并恢复。

其二是NC化。在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床。

其三是翻新。为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度;对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。

其四是技术改造或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术改造或技术创新。较大幅度地提高水平和档次。

4可编程序控制器选型

根据D-U3710组合机床动作循环图、技术特性，确定采用东芝EX系列可编程控制器。东芝EX系列可编程控制器与其他类型的可编程控制器相比，体积小，耗电量小，装置时间短，耐大电流冲击，可靠性极高，尤其是采用与众不同的图形液晶读/写程序编写器，可以在其显示器上监视程序的编排、修改，一目了然，非常直观。通过系统分析，D-3701组合机床的输入点为24个、输出点为19个，所以选用东芝EX系列可编程控制器的基木单元EX-40H+扩展单元EX20来完成。EX-40H+EX20的输入点为36个、输出点24个，大于系统所确定的I/O数，为此使用EX-40H+EX20是可行的。

在确定系统所需的I/O数后，还需进一步确定输入量、输出量的元件号，输入/输出继电器的元件号与它们对应的I/O号所接的端子编号是一致的，做好这一步就为绘制硬件接线图做好了准备。在此过程中应列一张地址分配表，标明各信号的名称、代号和分配的元件号。如果需要还应列出信号的有效状态，是上升沿有效还是下降沿有效，是高电平有效还是低电平有效等;对于开关量输入信号还应列出是常开触点还是常闭触点，触点在什么条件下接通或断开。为输入量、输出量分配好元件号后，下一步就可设计出可编程序控制器的硬件接线图以及其他电气部分的原理图、接线图和安装图。

5PLC的工作过程

PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输人和输出，控制各类机械的生产过程。

PLC的工作过程即是CPU对用户程序循环扫描并顺序执行的过程：对用户程序的执行主要按三个阶段进行。

1)输入采样以扫描方式顺序读入所有输入信号的状态，并将此状态存入输入映象寄存器中。在程序执行阶段和输出刷新阶段中，输入映象寄存器中的内容不会随着实际信号变化而变化。

2)程序执行阶段程序执行按从上到下、从左到右的顺序对每条指令进行扫描，并从输入映象寄存器中和输出映象寄存器中读取有关数据，然后进行相应运算，运算结果重新存入输出映象寄存器中。

3)输出刷新在所有指令执行完后，输出映象寄存器中所有输出继电器的状态(接通/断开)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。

6PLC与数控机床外部设备的信息交换

PLC、系统和机床三者之间的信息交换包括如下四部分：

1)机床至PLC

机床侧的开关量信号通过PLC输入接口送至PLC中，除了极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址(X地址)均可由PLC程序设计者自行定义。

2)PLC至机床

PLC控制机床的信号通过

可编程逻辑控制器(plc)在控制系统中得到了广泛的应用，没有可编程逻辑控制器，控制系统就像缺乏灵魂一样。为了提高大家对可编程逻辑控制器的理解，本文将探讨为什么可编程逻辑控制器可以取代继电器控制技术。如果你对可编程逻辑控制器感兴趣，可以继续阅读。

在工控自动化行业，可编程控制器(PLC)作为大部分自动化技术的设备基础，也给工业控制系统产生了史无前例的前所未有的巨大改变。与传统的继电器工业控制系统相比，采用plc的工业控制系统在操作、控制、效率和精度等方面具有无可比拟的优势。产业控制系统中使用的继电器控制设备虽然没有完全淘汰，但由于PLC的出现，产业控制设计者的设计思想发生了变化。

现如今家庭和工业控制各领域中对继电器的应用已经越发广泛。相比以前的产品，由于现代科技的发展，如今的产品要比之前的产品要更加安全可靠。可是，随之而来也有相应的麻烦。 绝大多数控制继电器在长期性损坏或疲惫姿势标准下完成时，非常容易损坏。另外，继电器的接点容易产生电弧，有时会融化而误动作，导致严重的结果。而且，对于具体使用搭载了数百个继电器的设备，控制箱必定又大又重。在满负荷运行情况下，大型继电器会产生大量的热量和噪声，同时也会消耗大量的能量。此外，继电器控制系统必须手动接线、安装，仅仅是简单的改动，就需要花很多时间、劳力和物资进行改造、安装和调整。

可编程控制器以其体积小、功能强大而著称，它不仅可以方便地完成序列逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字操作和数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口与各种生产机械的数字量和模拟量建立联系。

1、流程控制

流程控制是PLC最基本、应用最广泛的领域。 流程控制是指按照过程流程的顺序，根据控制信号，使生产过程的各执行机构自动按顺序动作。 编程设计灵活、速度快、可靠性高、成本低、维护方便等优点，在实现单体控制、多机组控制、生产过程控制中，可以完全取代传统的继电器接触器控制系统。 它主要基于操作按钮、限位开关、其他现场发出的指令信号和传感器信号，控制机械运动零件的操作，实现了自动生产线控制。 典型应用于自动扶梯的控制、管道上电磁阀的自动开闭、带式输送机的顺序启动等。 比如我们工厂的原料混合系统利用了PLC的顺序控制功能。

2、控制闭环过程

过去采用由硬件电路组成的pid控制器实现过程控制的仿真，现在可以使用plc控制系统并选择仿真控制模块，系统的功能由软件完成，系统的精度由位数决定，不受软件的影响，因此更加可靠，易于实现复杂控制和先进控制，可同时控制多个控制回路和多个控制参数，如温度、流量、压力、速度等。

3、控制运动位置

plc可以支持cnc机床的控制和管理，在机械加工行业中，可编程控制器和计算机数控(cnc)集成完成机床位置控制，其功能是接受输入设备的输入处理信息，经过处理和计算，通过步进电机或伺服电机向驱动器发出相应的脉冲，使机器能够根据预定轨迹运动完成多轴伺服电机的控制。

4、监控和管理生产过程

PLC可以通过通信接口连接到显示终端和打印机等外围设备上。 显示器是一种包含微芯片作为人机接口( HMI )的智能设备，通过与PLC组合，可以取代控制台上的多个控制按钮、选择开关、信号指示灯以及生产过程的模拟画面和控制台内的多个中间继电器和端子台 所有的操作都可以通过显示器上的操作软件进行。plc可以在显示屏上采集和处理生产过程中的数据，并可以显示二进制、十进制、十六进制、ascii字符等参数，图标的颜色变化反映现场设备的运行状态，如阀门开关、电机的启停、位置开关的状态等。pid回路控制采用数据、条形图等综合方法反映生产过程的变化。操作者可以通过参数设置调整参数，通过数据查询查找数据记录，通过打印保存相关的生产数据，方便未来的生产管理和过程数据分析。