19数控机床PLC基础知识和数控机床编程及加工

一、概述

二、PLC组成三、PLC工作原理

五、本次课小结四、PMC控制基础知识

1、知识目标1）了解PLC的组成及工作原理。2）掌握数控机床PMC控制基础知识。2、能力目标1）能正确描述PMC控制的特点3、素质目标1）专心听讲，认真思考。2）不玩，不打瞌睡，不咀嚼槟榔。3）积极互动，按时完成课堂作业。一、PLC概述可编程序控制器PC

（ProgrammableController）又称可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicCntroller），是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。

PLC的产生和发展原因：

①继电器控制柜的缺点：体积大、耗电多、线路繁杂、控制逻辑不易更改；成本高、可靠性低、维修困难。

②现代社会的要求：制造业的产品多样化、高质量、高效率；对市场变化能快速反应。可编程控制器出现以前，继电器控制在工业控制领域占主导地位；

1968年，为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，美国最大的汽车制造厂家—通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即

(1)能用于工业现场。

(2)能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。

(3)出现故障时易于诊断和维修。

1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出了世界上第一台可编程控制器PDP—14，并在美国通用汽车公司的自动装配线上试用成功，取得了满意的效果，可编程控制器也由此诞生。

可编程控制器的发展★1969年美国DEC数字设备公司研制出世界上第一台PLC；

1971年日本生产出微处理式PLC；

1973年欧洲开始生产；

1974年我国开始研制；

80年代PLC技术开始成熟、进入应用阶段。★

PLC的七大生产厂家：（占有世界80%的市场）美国：AB公司GE公司日本：三菱公司OMRON（欧姆龙）德国：SENMENS法国：TE公司、施耐德公司我国生产：引进与合资、组装（与美、日、德合作）。可编程控制器从诞生到现在，经历了四次换代：第一代：1位微处理器，逻辑控制功能第二代：8位微处理器及存储器，产品系列化第三代：8位微处理器及位片式微处理器处理速度提高，向多功能及联网通信发展第四代:16位、32位微处理器及高性能位片式微处理器逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能。1．使用灵活、通用性强。

2.编程简单、易于掌握。3．可靠性高、能适应各种工业环境。

4.接口简单、维护方便。

PLC的特点5.功能完善、性价比高。

PLC的应用

1.开关量的逻辑控制可编程序控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或“、“非”等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。广泛应用于印刷机、物体分拣机、组合机床、包装生产线等。

2.A/D、D/A转换大多数可编程序控制器还具有模/数（A/D）和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。

3.闭环过程控制大多数PLC都有PID模块，可实现对伺服电机的闭环控制。在冶金、化工等领域有广泛的应用。

4.数据处理功能大多数可编程序控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算；BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。ProportionIntegrationDifferentiation

6.定时控制可编程序控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，定时时间的最小单位也可在一定的范围内进行选择，因此，使用灵活，操作方便。

5.计数控制可编程序控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了记数指令。计数值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，有些可编程序控制器还设置了加计数、减计数两种不同的记数方式。

7.通信与联网有些可编程序控制器具有联网和通信功能，可以进行远程I/O控制，多台可编程序控制器之间还可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程序控制器可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。PLC的分类

1.按I/O点数

小型：其I/O点数少于256点；（小于64点为超小型或微型）中型：其I/O点数在256~2048点之间；大型：其I/O点数多于2048点。（超过8192点的为超大型）2.按结构型式

整体式PLC：将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。模块式PLC：将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块以及各种功能模块。叠装式PLC：将整体式和模块式的特点结合起来整体式PLC模块式PLC3.按功能分低档PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。中档PLC

具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。高档PLC

具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。4.按生产厂家分目前世界上PLC产品按地域分成三大块：美国、欧洲和日本。日本和美国的PLC产品较相似。占PLC市场80%以上的生产公司有：德国的西门子（SIEMENS）公司、法国的施耐德（SCHNEIDER）自动化公司、日本的欧姆龙（OMRON）和三菱（MITSUBISH）公司。目前国内常用的是三菱FX系列小型机和西门子S7-300、S7-400中大型机等。PLC的发展趋势

1.大型化、高速度、大存储容量趋势

2.微型化、多功能化趋势

3.标准化趋势

4.模块智能化趋势

5.网络化趋势PLC的主要技术指标1.工作速度2.控制规模（I/O点数）3.组成模块（CPU模块、电源模块、I/O、内存等）4.内存容量5.指令系统（基本逻辑指令、数据处理指令、数据运算指令、流程控制指令、状态监控指令）6.支持软件：PLC能识别的只是机器语言。它能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，甚至高级语言，是因为有与这些语言相对应的软件。7.可靠控制：为使PLC可靠工作，在硬件与软件两个方面PLC厂家都采取了很多措施，对一些特殊要求的PLC，还有相应的特殊措施，如热备、冗余等等。PLC与继电器控制系统的比较1.控制方式继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，它只能完成既定的逻辑控制。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，这种通过改变程序来改变控制逻辑的方式称为软接线。2.控制速度继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。

PLC由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。3.延时控制继电器控制系统靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。

PLC用半导体集成电路做定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。4.控制的优缺点继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大。PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小，功耗低。与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。外部设备现场用户输出设备微处理器（CPU）运算器控制器输出部件输入部件系统存储器用户存储器I/O扩展接口通讯及编程接口编程设备计算机打印机等传感器按钮、开关现场信号电磁阀中间继电器执行器现场用户输入设备扩展设备扩展单元通讯模块功能模块电源变换器～110V/220V市电PLC基本单元PLC系统结构示意图二、PLC组成PLC的硬件系统1.CPU

与一般计算机的CPU不同，它包含有RAM或ROM1）CPU：CPU是PLC的核心部件。它的性能（位数和主频）决定了PLC的运算速度和信息处理量的大小。2）存储器：存放系统程序、用户程序和数据。2.输入/输出接口是CPU连接工业现场设备的桥梁。分数字I/O接口和模拟I/O接口。数字I/O接口：CPU模块与外部开关量信号之间的接口，它完成诸如电平转换、电气隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。模拟I/O接口：其输入部分主要完成阻抗匹配、信号放大、信号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D变换等工作，以便将来自受控对象的仿真量转换成PLC能够处理的数字量，其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。3.电源

PLC中的电源一般有三类：+5V、±15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用。供输出接口使用的高压大电流的功率电源。锂电池及其充电电源。4.编程器编程器是PLC重要的外部设备，是人机对话的窗口，它可将用户程序输入PLC的存储器内，还可用于检查程序、修改程序，编程器还用于监视PLC的工作状态。

5.扩展接口：是用于扩展I/O单元或特殊功能单元。PLC的软件系统

PLC除了硬件系统外，还需要软件系统的支持，它们相辅相成，缺一不可，共同构成PLC。PLC的软件系统由系统程序(又称系统软件)和用户程序(又称应用软件)两大部分组成。（1）系统监控程序

由生产厂家编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。用于管理、协调PLC各部分工作，方便用户使用的通用程序。1）系统配置登记及初始化2）系统自诊断3）命令识别与处理4）用户程序编译5）模块化子程序及调用管理（2）用户程序用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。

1）用户数据结构

第一类为bit数据，属于逻辑量，其值为“0”或“1”。第二类为字数据，其数制、位长有多种形式。通常采用BCD码形式。FX2N系列和A系列中为4位BCD、双字节为8位BCD码。第三类为字与bit的混合，即同一元件既有bit元件，又有字元件。例如T（定时器）和C（计数器），它们的触点为bit，设定值寄存器和当前值寄存器则为字。2）元件

用户使用的每一个输入、输出端子及内部的存贮单元都称为元件，每个元件有其固定的地址。元件的数量由监控程序规定，它的多少决定PLC整个系统的规模及数据处理能力。（3）用户环境PLC是专为工业控制设计的专用计算机，就电路作用而言，可看作是由一般继电器、定时器、计数器等元件组成.

PLC的内部等效电路(4)PLC的内部等效电路输入部分：等效输入继电器。逻辑控制部分：由用户程序实现的逻辑关系。构成逻辑电路的元件是等效编程元件。输出部分：等效输出继电器。三、PLC工作原理PLC的工作方式所谓扫描，就是CPU依次对各种规定的操作项目进行访问和处理。PLC采用循环扫描方式。如下页图所示。工作过程如下：1）自诊断2）与外设通信3）输入采样4）程序执行5）输出刷新处理PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期循环。PLC的工作过程示意图PLC的扫描周期每扫描一个循环所用的时间称为扫描周期。

它的长短与用户程序的长度、I/O点数及CPU的处理通信过程等因素都有关系。PLC的I/O滞后时间输入/输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，该变量满足条件就能被PLC的程序执行。产品检测传送带如图示，用PLC来检测产品数量。为确保不漏检，对PLC扫描周期有何要求？产品通过检测点的时间间隔为：T=0.025m/(50m/60s)=30ms,所以，PLC的扫描周期必须小于30ms

PLC用于数控机床通常称之为可编程序机床控制器PMC（ProgrammableMachineController）。CNC完成插补运算、译码、位置伺服控制等。PMC完成工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制。数控机床的控制，由CNC和PMC协调配合共同完成。CNC主要完成哪些功能？PMC主要完成哪些功能？

四、PMC控制基础知识

PMC控制的机床辅助功能主要涉及到M、S、T指令：1、M指令功能—控制主轴的正反转及停止、有级调速主轴齿轮箱的变速、冷却液的开关、卡盘的松紧及换刀等。2、S指令功能—主轴转速的控制3、T功能—刀具功能用于数控机床的PLC一般分为两类：内装型PLC和独立型PLC。内装型（或集成型）PLCCNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制，而将CNC和PLC综合起来设计，称为内装型（或集成型）PLC。内装型PLC是CNC装置的一部分。1.内装型PLC与CNC间的信息传送在CNC内部实现。与机床之间信息传送则通过CNC的输入/输出接口电路来实现。3.一般不能独立工作。具有内装型PLC的CNC系统独立型（或外装型）以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制系统，称为独立型（或外装型）PLC。

1.与CNC装置相对独立的,可以单独拿出来使用。

2.功能易于扩展和变更。

3.独立型PLC和CNC之间是通过输入输出接口连接的。独立型PLC的CNC系统数控机床PMC的信息传递CNC、PLC和MT之间的信息传递：X：由机床向PMC的输入信号（MTPMC）Y：由PMC向机床的输出信号(PMCMT)F：由NC向PMC的输入信号(NCPMC)G：由PMC向NC的输出信号(PMCNC)PLC地址通常由三部分组成：1、地址类型；2、地址号；3、位号；1、MT至PLC机床侧传递给PLC的信息主要是机床操作面板上各种开关、按钮等信息，包括机床启动与停止、工作方式选择、倍率选择、主轴的正反转和停止、切削液的开与关、卡盘的与松开、各坐标轴的点动控制、换刀指令、超行程限位、主轴伺服保护监控信号、进给系统运行准备信号等开关量信号。这些信号所占用PLC的输入单元地址均可由机床生产厂家的PLC程序设计者自行定义。2、PLC至MTPLC至机床的信号是控制机床的执行元件，如电磁阀、继电器、接触器以及确保机床各运动部件状态的信号和故障指示等。这些信号所占用PLC的输出单元地址均可由机床生产厂家的PLC程序设计者自行定义。3、CNC至PLCCNC至机床的信息主要是M、S、T、F等功能代码。S功能是指用几位代码指定主轴转速，在PLC中通过转换输出主轴转速控制指令；T功能是通过PLC管理刀库，进行自动刀具交换；M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换档变速，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作；F功能是通过PLC控制伺服系统完成坐标轴进给率的输出。4、PLC至CNCPLC送至CNC的信息主要是M、S、T、F功能应答信号及各坐标轴的基准点信号，机床运动部件的状态和故障等信息。所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。

PMC顺序程序的执行1、顺序程序的构成PMC的工作是按梯形图上编写的顺序动作的。PMC的工作原理和PLC是一样的，实际上是一种扫描的工作原理，顺序程序从程序的开头执行到结束，执行完后，再从头开始，反复循环。顺序程序一般由两部分组成。第一级程序和第二级程序。第一级程序处理窄脉冲信号（对时间反应速度快的），第二级程序是顺序程序的主体部分。第一级程序仅处理短脉冲信号，如急停、各轴超程、返回参考点减速、外部减速、跳步、到达测量位置和进给暂停信号。第二级程序是PLC程序的主体，被分割成几部分。

第一级程序每隔8ms执行一次，第二级程序被分隔。第一级程序第二级程序子程序子程序结束图2-23顺序程序中的子程序子程序必须在第二级程序后指定。

FANUC系统PMC的分类:PMC—L/M：用于FANUC—OC/OD系统PMC—SA1：用于FANUC—Oi系统/OiMate系统PMC—SA3：用于FANUC—OiA系统PMC—SB7：用于FANUC—16i/18i/21i及OiB/OiC系统PMC—RB5/RB6：用于FANUC—16/18系统五、本次课小结本次课主要讲授了PLC的出现及组成、工作原理，数控机床PMC的由来、功能、分类、信息传递及顺序程序的执行方式。

数控机床编程及加工机械工程实验教学中心实验目的通过数控机床的加工程序编制，掌握编程的方法及技巧；将在计算机上用OpenSoftCNC软件模拟显示加工过程校验程序，然后在数控机床上对工件进行加工；结合机械加工工艺，实现最优化编程，提高加工质量和生产效率。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理数控编程的目的；数控编程的内容；编程步骤。机械工程实验教学中心数控编程的基本原理所谓编程，就是把零件的图形尺寸、工艺过程、工艺参数、机床的运动以及刀具位移等内容，按照数控机床的编程格式和能识别的语言记录在程序单上的全过程。这样编制的程序还必须按规定把程序单制备成控制介质如程序纸带、磁带等，变成数控系统能读懂的信息，再送入数控机床，数控机床的CNC装置对程序经过处理之后，向机床各坐标的伺服系统发出指令信息，驱动机床完成相应的运动。机械工程实验教学中心数控编程的目的数控编程的基本原理①分析零件图纸，确定加工工艺过程；②计算走刀轨迹，得出刀位数据；③编写零件加工程序；④制作控制介质；⑤校对程序及首件试加工。机械工程实验教学中心数控编程的内容数控编程的基本原理机械工程实验教学中心数控编程的步骤零件图纸分析零件图纸制定工艺规程数学处理编写程序文件制作控制介质程序校验及试切数控机床OpenSoftCNC软件介绍OpenSoftCNC软件包括数控车床模拟仿真和数控铣床模拟仿真系统，由软件+标准硬件系统构成，不要求专用硬件或运动控制卡，所有数控功能和逻辑控制功能均由软件完成，操作界面由系统操作和机床控制两大部分组成。机械工程实验教学中心OpenSoftCNC软件介绍机械工程实验教学中心为例，软件提供下列指令：以数控车床模拟仿真系统（OpenSoftCNC01T）组别指令功能编程格式模态

1G00快速线性移动G00X(U)_Z(W)_√G01直线插补G01X(U)_Z(W)_√G02顺时针圆弧插补G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆时针圆弧插补G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺纹插补G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺纹插补G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X轴返回程序零点G27

G28Z轴返回程序零点G28

G92定义绝对坐标系G92X_Z_√2G04延时G04E_

3M00暂停M00

M02程序结束M02

4M03主轴正转M03√M04主轴反转M04