可编程控制器在数控机床中的应用.doc

商丘工学院毕业论文可编程控制器在数控机床中的应用 专 业 机电一体化 班 级 09机电3班 姓 名 闫君梁 学 号 4209050310 指导教师 杨晓东 日 期 2011.11.25 摘 要数控机床是指可以通过计算机编程，进行自动控制的机床。将程式指令输入数控系统之内存后，经由电脑编译计算，透过位移控制系统，将资讯传至驱动器以驱动马达之过程，来切削加工所设计之零件。电脑与数控机床之间利用并列讯号线接续，再利用数控机床的软件来控制加工。数控机床软件则用来产生G-Code(机能指令)， 将路径码送至数控机床控制器,，然后数控机床控制器送出命令来驱动主轴马达及滑台马达开始加工。所谓机能指令是由位址码及两个数字所组成，具有某种意义的动作或功能，可分为七大类，即G机能（准备机能），M机能（辅助机能），T机能（刀具机能），S机能（主轴转速机能），F机能（进给率机能），N机能（单节编号机能）H/D机能（刀具补正机能）。程式参考点：程式参考点或称程式原点，它是工作上所有转折点座标值之基准点，此点必须在编写程式时加以选定，所以程式设计者选定时须选择一个方便的点，以利程式之写作。 关键词：可编程控制器数控机床PAC 可编程控制器的应用ABSTRACTCNC machine tools is one that can be programmed by computer to carry out automatic control of machine tools. Will enter the NC command program memory system, the calculation by the computer compiler, through the displacement control system, the information transmitted to the drive motor to drive the process to the design of machining parts. Computer numerical control machine tool with parallel signal lines between the use of follow-up, re-use CNC machine tools to control the processing software. NC machine tool software is used to generate G-Code to the path code to the CNC machine tool controller, and then. The so-called functional command and by the address code consisting of two figures with a sense of movement or function, can be divided into seven major categories, namely, the function G, M T t, S, F, N H / D Program reference point: the reference point for the program or the program Origin, which is a turning point in the work of all the coordinates of reference point values, this point must be selected when programming, so the program designers to be selected to choose a convenient point to Lees writing program. Keywords: Programmable Logic Controller CNC machine tools PAC Application of Programmable Logic Controller目 录摘 要1ABSTRACT2目 录3绪 论51可编程控制器的工作原理和结构特点61.1可编程控制器的工作原理61.1.1 扫描工作方式61.1.2 程序执行过程62可编程控制器的编程初步82.1可编程控制器的逻辑本质82.2 PLC的应用设计步骤93.可编程控制器的操作113.1可编程控制器的配线113.1.1电源配线113.1.2 IO单元端子配线114.可编程控制器的通讯功能124.1串行通信的数据传送方式124.2异步串行通信接口145.可编程控制器在工业控制中的典型应用举例165.1三相异步电动机的丫减压启动控制165.1.1系统配置165.1.2程序设计166.可编程控制器在数控机床中的应用186.1数控机床的控制对象及接口信号187.可编程控制器的应用前景20结 论21致 谢22参考文献23可编程控制器在数控机床中的应用绪 论早期机床中有关顺序逻辑和开关信息的处理一般由厂家设计、制造和安装，并且大部分采用继电器逻辑来实现的。但当机床的品种较多且逻辑较复杂时，使用的继电器数量很多，造成线路设计和调试都相当困难，可靠性也变差。大约在20世纪70年代以后，开始采用可编程逻辑代替继电器逻辑，将PLC逻辑控制应用到机床控制中。后来，随着计算机的发展和渗透，PLC技术也在不断发展，以其功能齐全、性能可靠、使用方便的特点，广泛使用在机床控制当中。由于PLC的响应速度快、可靠性高、易于编程和修改、成本低，很快就成为数控系统中的一个重要组成部分。PLC在数控系统中是介于数控装置与机床之间的中间环节，根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算，并完成输出控制功能。 目前，由于PLC的不断完善和发展，其功能被大大提高，在数控机床中的应用也不仅局限于中间环节。下面介绍有关PLC在数控机床控制领。 1可编程控制器的工作原理和结构特点11 可编程控制器的工作原理11. 1 扫描工作方式当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结果看起来似乎是同时完成的。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描是一种形象化的术语，用作描述CPU是如何完成分配给它的各种任务的方式。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响。112 程序执行过程PLC的工作过程就是程序执行过程。PLC投入运行后，便进入程序执行过程，它分为三个阶段进行，即输入采样(或输入处理)阶段，程序执行(或程序处理)阶段，输出刷新(或输出处理)阶段。1输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(开或关、即ON或OFF、“1”或“0”)读入到输入映像寄存器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新，然后转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读人。2程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变化。2可编程控制器的编程初步21 可编程控制器的逻辑本质可编程控制器是按照用户控制要求编写的程序来进行工作的。程序的编制就是指用一定的编程语言把一个控制任务描述出来。尽管国内外PLC生产厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本有四种：梯形图、指令表、状态转移图(逻辑功能图)和高级语言。大部分PLC是使用梯形图和指令表编程的。梯形图是一种图形语言，它沿用了传统的继电器控制中的继电器触点、线圈、中并联等术语和图形符号，而且还加进了许多功能强、使用灵活的指令，并将微机的特点结合进去，使得编程容易掌握。梯形图比较形象、直观，对于熟悉继电器控制系统的来说，也容易接受，PLC厂家都把梯形图作为第一用户编程语言。虽然不同型号的PLC，其梯形图、指令形式有些差异，使用的符号也不同，但编程的方法和原理是一致的。在经常使用的梯形图中，用大量的继电器触点、线圈、串并联等术语和图形符号来代表通常所使用的继电器或接触器的通断状态。而这种图形符号并不是所使用的实际电器元件，它仅是一位(bit)数据的“0”或“1”的状态。相当于继电器或接触器线圈的吸合与断开，当需要它的状态时只需读该bit数据的状态即可，所以在PLC中继电器的接点使用次数不受触点数目的限制。使用一次仅仅是读该数据一次，只要不改变它的状态，读多少次也是原来的数据，似乎继电器有无数个接点一样，使用起来十分方便。 22 PLC的应用设计步骤在较复杂的逻辑控制系统，尤其是顺序控制的程序中，由于内部的联锁，互动关系极其复杂，其梯形图往往长达数百行，通常由熟练的电气工程师才能编制出这种程序。在许多的PLC中增加了步进顺序控制指令，同时辅之以大量状态元件，利用状态转移图进行程序设计。这种设计方法是利用PLC状态元件的条件转移功能来实现的。利用这种先进的编程方法，初学者很容易编出复杂的顺序控制程序，大大提高工作效率。在调试运行中也有许多方便。只要遵循编程规则，梯形图和状态转移图(简称状态图)可以混合使用。本书只介绍三菱公司FX2系列可编程控制器的使用和编程方法，读者可举一反三。一般PLC的应用设计可遵循以下步骤进行：确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序；分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外围设备是接收来自PLC的信号的，并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配；设计PLC的梯形图或状态图，梯形图或状态图必须体现按正确的顺序要完成的全部功能及其相互关系；将梯形图转换成PLC，程序或实现用计算机对PLC的梯形图直接编程；对程序进行调试(模拟或现场)；保存已完成的程序。在利用可编程控制器完成一个复杂的控制任务之前，首先要正确估计PLC所完成的控制任务，规划其输入端、输出端、内部继电器的用途，画出PLC外部接线图和内部继电器的使用分配表。然后进行各部分控制功能的梯形图或状态图的绘制，并将绘制好梯形图或状态图进行综合。在绘制好梯形图之后，将梯形图转换成助记符形式的程序，利用编程器将程序输入PLC，以便执行。现在大多数PLC有计算机编译软件，可进行计算机直接绘制梯形图并编译，省去人工将梯形图编译为PLC程序的不便，而且可在计算机上进行仿真运行和调试，并可通过通讯功能直接传人PLC。以三菱公司的FX系列和OMRON公司的C系列PLC为例，介绍编程所用的指令含义及其梯形图形式。3.可编程控制器的操作用可编程控制器控制实际工业对象，首先要将PLC合理地接人现场的控制系统中，其次根据工业控制要求编制程序并写入PLC，最后进行现场调试。本章主要介绍PLC的配线、抗干扰措施、程序写入及程序调试。31 可编程控制器的配线31，1 电源配线对于分体式的可编程控制器电源配线，实际上是完成CPU电源连接和IO机架的电源连接，而对于单元式的可编程控制器只需完成CPU的电源连接即可。下面以OMRON公司的C系列可编程控制器为例来说明电源的配线。电源连接。可编程控制器的IO机架的扩展所示(以OMRON公司的C系列为例)。312 IO单元端子配线如图33所示，将导线接到IO单元的端子。请使用03125mm2的绞线型截面的导线连接。端子螺钉是M35的螺钉。旋紧IO单元安到机架上的螺钉，端子板上到IO单元的螺钉和端子上到端子板上的螺钉。最好使用不焊接端子(压接端子)。需要说明的是：当使用双向可控硅输出单元来驱动一个弱电流负载时，漏电流可能使负载不能关断。为防止这种情况发生，需在负载的两端并联一个泄放电阻。4.可编程控制器的通讯功能计算机的CPU与外部的信息交换称为通信。基本的数据通信方式有并行通信方式和串行通信方式两种。在并行通信方式中，并行传输数据的所有位同时传送；在串行通信方式中，数据一位接一位顺序传送。尽管并行通信的传递速度快，但是，并行传输的数据有多少位，传输线就得有多少根，所以，不适宜远距离通信；而中行通信的数据的各不同位可以分时使用同一传输通道，故能节省传送线，特别当传送数据的位数很多或长距离传送时，这个优点就更为突出。41 串行通信的数据传送方式串行通信中，数据在两个站之间是双向传送的，A站作为发送端，B站作为接收端，也可以由A站作为接受端，B站作为发送端。串行通信可根据要求分为单工(Simplex)、半双工(Half Duplex)和全双工(Full Duplex)三种传送方式。单工 数据只按一个固定的方向传送。半双工 每次只能有一个站发送，即同一时刻只能由A发送到B，或由B发送到A，不能A和B同时发送。全双工 两个站能同时发送。在串行通信中经常采用非同步通信方式，即异步通信方式。所谓异步是指相邻两个字符数据之间的停顿时间长短不一，在异步串行通信中，收发的每一个字符数据都由四个部分按顺序组成的，如图乙1所示。起始位 标志着一个新字节的开始。当发送设备要发送数据时，首先发送一个低电平信号，起始位通过通信线传向接收设备，接收设备检测到这个逻辑低电平后就准备接收数据位信号。 数据位 起始位之后就是5、6、7或8位数据位，IBM PC机中经常采用7位或8位数据传送。当数据位为。时，收发线为低电平，反之为高电平。奇偶校验位 用于检查在传送过程中是否发生错误。若选择偶校验，则各位数据位加上校验位使字符数据中为“1”的位为偶数；若选择奇校验，其和将是奇数。奇偶校验位可有可无，可奇可偶。停止位 停止位是低电平，表示一个字符数据传送的结束。停止位可以是一位、一位半或两位。在异步数据传送中，CPU与外设之间必须有两项规定。字符数据格式 即前述的字符信息编码形式。例如起始位占用一位，数据位为7位，一位奇偶校验位，加上停止位，于是一个字符数据就由10个位构成。也可以采用数据位为8位，无奇偶校验位等格式。波特率 在异步数据传送中，单位时间内传送二进制数的位数。假如数据传送的格式是7位字符，加上奇校验位、一个起始位以及一个停止位，共10个数据位，而数据传送的速率是960bps，则传送的波特串为： 10X9609600位s9600bps 每一位的传送时间即为波特率的倒数：Tdl9600bpsq0104ms所以，要想通信双方能够正常收发数据，则必须有一致的数据收发规定。42 异步串行通信接口在分布式控制系统中普遍采用串行数据通信，即用来自微机串行命令对控制对象进行控制操作。下面介绍PLC与计算机之间进行数据传送时所采用的几种串行通信接口。RS232C是电子工业协会EIA(Electronics lndustries Association)1962年公布的一种标准化接口。它采用按位串行的方式，传递的波特率规定为19200、9600、4800、2400、1200、600、300等。IBM PC及其兼容机通常均配有RS232C接口。在通信距离较近，波特率要求不高的场合可以直接采用，既简单又方便。但是，由于RS232C接口采用单端发送、单端接收，所以，在使用中有数据通信速率低、通信距离近(15m)、抗共模干扰能力差等缺点。RS422接口采用差动发送、差动接收的工作方式。发送器、接收器仅使用 5.可编程控制器在工业控制中的典型应用举例可编程控制器在各种领域中的应用非常广泛，本章主要介绍用PLC实现三相异步电动机丫减压启动控制、三相步进电动机控制、机械手控制、交通信号灯控制和钢板开平冲剪流水线控制，阐明应用PLC时的系统配置、程序设计及调试方法，并考虑工业控制的实际需要，给出了PLC控制系统故障检测程序的设计方法。51 三相异步电动机的丫减压启动控制对于运行的定子绕组为接法的三相异步电动机，为了减少启动电流，可采用丫降压启动。其控制要求是：启动时将定子三相绕组接成丫形：启动完毕将定子三相绕组改接成A形。511 系统配置三相异步电动机丫A减压启动控制电路如图51所示。PLC控制的IO配置及接线。512 程序设计采用PLC控制的梯形图如图53(a)所示。对应的指令程序如图53(b)所示。图中输出继电器Y1(丫接)和Y2(接)的常闭接点实现电器互锁，以防止丫一换接时的相间短路。按下启动按钮SB2时，输入继电器X0的常开触点闭合，井通过主控触点(M100常开触点)自锁，输出继电器Y1接通，接触器KM3得电吸合，Y0接通，接触器KMl得电吸合，电动机在丫接方式下启动，同时定时器TO开始计时。8s后TO动作使Y1断开，Y1断开后KM3失电释放，互锁解除使输出继电器Y2接通，接触器KM2得电吸合，电动机便在接方式下运行。按下停机按钮SBl或过载保护(FR)动作，不论星启动，还是运行情况下都可使主控接点断开，让电动机停止运行。6.可编程控制器在数控机床中的应用61 数控机床的控制对象及接口信号在机械加工领域中，成型的系统一般将具有逻辑功能的PLC和CNC组成一体，可实现更强的数字控制，并已经取得了成功的应用。例如著名的日本FANUC公司推出的systeml01112已将PLC控制功能作为CNC的一部分，并通过窗口软件由用户自行编制软件，然后由PLC送至CNC装置使用。德国nSMENS公司在810系统中，将PLC处理功能和微处理器集成一体，美国研制的CNC设备中也是用了具有逻辑功能的PLC。近来，许多公司以及使用者在数控机床制造和改造中大量使用PLC，由于其功能的不断完善和开发，将在以后的数控机床中的应用越来越多。在现代数控系统中采用PLC实现控制时可分为“内装型”和“独立型”两种。在系统构成中通讯或信号传输的方式有所不同，但其实质性的原理是相同的。数控系统中PLC的信息交换就是指以PLC为中心，在数据系统(CNC)、PLC和机床(MT)之间的信息传递。一般PLC在数控机床的应用原理如图71所示。即PLC从计算机CNC系统中或人机对话系统得到的操作数据通过输出接口输出，驱动机床做各种必要的加工的动作。 PLC与CNC之间交换的信息分两个方向进行，其中由CNC发给PLC的信息主要包括各种功能代码M、S、T的信息，手动自动方式信息，各种使能信息等。而由PLC发给CNC的信息主要包括M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。同样，PLC与机床之间交换的信息也分为两部分，其中由PLC向机床发送的信息主要是控制机床的执行元件，如电磁阀、接触器、继电器以及各种状态指示和故障报警等。而由机床向PLC发送的信息主要有机床操作面板输入信息和机床上的各种开关、按钮等信息，例如机床的启动停止、主轴正转反转停止、冷却液的开关、倍率选择、各坐标轴的点动以及刀架卡盘夹紧松开等信息，还有各运动部件的限位开关、主轴状态监视信号和伺服系统运行准备信号等。7.可编程控制器的应用前景随着市场的需要，PAC技术在未来的几年内将朝着以下几个方向进一步发展。1）设备规格的多样化。为了满足各种实际生产状况的需要，PAC的规格将会呈现出多样化的发展趋势。在具体的生产环境中，选择合适的控制系统要求的PAC，有利于降低成本。2）支持更多的控制功能。目前，PAC已经将逻辑、运动、过程控制等高级功能集成到了单一的平台上。而未来，PAC将进一步融合更多的功能，例如对于安全性的考虑，批处理等等。当信息被越来越广泛地使用时，其安全性就将成为需要考虑的第一因素。3）商业系统的集成。为了实现真正的实时性，自动化设备供应商将在PAC内部创建商业系统的连接通道而不依赖于其他的连接设备。4）简单的系统维护。PAC将往更小化更智能化的方向发展，但同时它将拥有更出众的数据处理能力。其软件可以监控机器运转状况，硬件可以完成复杂的自检工作。为了提高生产率、增加利润，企业就必须及时有