PLC在数控机床控制系统中应用

1、题目PLC在数控机床控制系统中的应用班级学生姓名实习单位指导老师 日期PLC 在数控机床控制系统中的应用摘要： 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

2、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。关键词：PLC ;数控机床控制系统；应用；维护、八 、前言可编程序控制器 <PLC ）主要以计算机的微处理器为基础， 综合计算机的应用技术、通讯技术以及自动控制技术而发 展起来的一种通用控制器。虽然 PLC 由较为复杂的微处理 器组成，但是在实际应用过程中，完全不必了解微处理器 的内部结构。最初， PLC 还仅是作为继电器接触器控制系 统的替代品，而自从进入数控机床控制

3、系统领域后，凸显 了其独有的优越性，以其自身强大的抗干扰能力、自诊断 功能等，提高了数控机床控制系统的可靠性，基本解决了 普通继电器及接触器中常见的故障问题，经过调试后可长 期安全可靠地运行。本文将对 PLC 的特点、基本工作过程、机床数控特点 原理、在数控机床控制中的应用等问题进行分析与阐述。第 1 章 可编程序控制器 <PLC ）的特点1.1 体积小重量轻超小型的 PLC底部尺寸v 100mm，重量v 150g,其功 耗仅为数瓦。因为其体积小，很容易装入机械中，便于机 电一体化的实现。1.2 实 用 性 普 遍PLC 可适用于各种规模的电气控制场合，除了基本的逻 辑处理功能之外，当前

4、大多 PLC 具有数据运算能力，并可 应用于数字控制领域中。近年来， PLC 的功能日益完善， PLC 的应用已经普遍到温度控制、位置控制及 CNC 等多个 控制领域。1.3 抗 干 扰 能 力 强 因为 PLC 采用了现代化的大规模集成电路技术，在内部 电路、生产工艺等方面均采取先进的抗干扰处理技术，具 有较高的可靠性。另外， PLC 还自备硬件故障自动检测功 能，一旦出现故障即可发出警报。在软件应用中，应用者 还可编入外围器件的自诊断故障程序，让系统中出了 PLC 之外的电路与设备也能获得自我保护功能。1.4 应 用 简 单 、 普 遍 PLC 作为直接面向企业的工控设备，具有接口容易、编

5、程 语言易于被项目技术人员接受并理解等特点，尤其图形符 号及梯形图语言、表达方式等与继电器电路图基本类似， 只需通过 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就能熟练实现在 电气控制中的应用。1.5 维 护 与 改 造 方 便PLC 通过存储逻辑替代了接线逻辑，减少了控制设备外 在的接线，极大减少了控制系统设计和建造的时间，为后 期维护提供了方便，同时程序较易改变，可极快应用于生 产过程的改变。第 二 章 可 编 程 序控 制 <PLC ) 的 基 本工 作 过程PLC 及相关外围设备的设计原则应满足 “与工业控制系统为 一个整体、方便功能扩展 ”，所有的电气控制系统的实现都 是根据工艺要求，最

6、终提高生产效率及产品质量。因此， 在设计 PLC 控制系统时，应满足被控对象的基本要求，并 对实际工作现场进行研究、收集资料，并实现设计人员与 操作人员的密切配合，共同拟定可操作方案，对可能潜在 的问题进行共同分析、共同解决。并在满足各方控制要求 的前提下，考虑控制系统的简单性与经济性，方便后期的 使用及维修，并确保电气控制的安全性、稳定性。 PLC 在 电气控制中的基本工作过程为：<1）现场信息的输入：在系统软件的控制下，按照顺 序对输入点进行扫描，并读取输入点的状态。<2）程序的执行：对用户程序中的指令按顺序扫描， 并根据输入的状态及指令进行逻辑性运算。<3）控制信号的输

7、出：根据以上逻辑运算的结果，输 出状态寄存器向各个输出点同时发出相应的信号，以实现 所需的逻辑控制功能。以上过程完成后，再重新开始，并反复执行，每执行 一次即完成一个扫描周期。 在实际应用时，很多机械设备 的工作流程可分为一系列不断重复的顺序动作，而 PLC 的 工作程序恰与其相似，因此 PLC 程序能很好地与机器动作 相对应，且程序的编制简单、直观，易于修改，减少了开发软件的费用，并缩短软件开发周期。第三章数控机床3.1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，如图1所PLC主皓捞魁单元一主袖塩庫控制单兄股服电L机

8、»示。I烷晋檢洲反卿置Fq打I图i数控机床组成机构图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

9、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、选刀万式、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

10、识、工艺分析、工艺方案的制订、加项目序编制、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 。3.2 机床数控系统需要解决的几个问题 机床是由机

11、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在实际控制中如何既能提高定位速度，同时又

12、能保证 定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精 度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的 位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此 位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置 精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另 一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控 制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是 很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常 起着决定性的作用。高精度的控制系统必须有高精度的检 测元件作为保证。当现场条件发生变化时，系统的某些控 制参数必须能作相应的修改，为满足生产的连续性，要求 对控制系统可变参数的

13、修改应在线进行。尽管使用编程器 可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现 场操作人员使用。所以，应考虑开发其他简便有效的方法 实现 PLC 的可变控制参数的在线修改。另外为了防止电压 过高损坏 PLC，电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热 PLC 不许安装在变压器等发热元件的正上方，变频器与 PLC、伺服驱动器等保持一定距离。在元件间留有适当的空 隙，以便散热，并且在配电箱上安装风扇降温。此外，为 保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安 全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测 等。第四章在数控机床控制中的应用4.1永宏FBs系列PLC的NC机床定位伺服控制系统分

14、析数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，提高数控 机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主 要定量指标之一，其定义为 : 产品在规定条件下和规定时间 内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，这里的功能 主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能， 伺服性能等。数控机床的功能部件对机床的功能扩展和性 能的提升起着极为重要的作用，因此，它不同于一般配套 件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协 调，融入整机系统具有最佳的匹配性能，而且还能很好地 彰显出该数控机床的个性化特征。用于高速化的数控系统 不能仅是提高数据处理能力，而是应具备热误差补偿单元 以及能实现速度前瞻控制

15、、位置环前馈控制和加减速平稳 控制等先进控制技术的功能。所以必须选择稳定可靠的控 制单元才能保证数控机床正常高效运行。鉴于以上各项要求，笔者采用台湾永宏电机股份有限公司 的 FBs-44MN PLC 作为该机床控制主单元，该型机具有较 高的性价比，体积小，使用起来非常方便，接线简捷。其 编程软件 WinProladder 有梯形图大师之称，易学易用且功 能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标 并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入 效率倍增。同时配以人机界面进行程序参数修改、设定以 及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。该控 制系统具有可靠性高，价格便宜，结构紧

16、凑等特点，非常 适合机床的控制要求，具体控制思路如图3 所示。永監卩岀-pit”一其他談理制人机界站图3采用永宏PLC FBS-44MN的NC机床定位电气控制系统图可编程逻辑控制器是该机床各项功能的逻辑控制中心，集成于数控系统中，主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。由图3可以看出，系统控制中心采用永宏PLC FBS-44MN控制，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示 监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流 伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移 动配有直线导轨的工作台和主轴铳头，其定位准确，速度 快。主轴铳头由

17、变频器控制，根据刀具及工件和进给量， 来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都 有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息由光 栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信 号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换， 驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动， 直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环 进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环 境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获 得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更 大的特性指标。早期使用一般电机作为定位控制，因为

18、速 度不快、或者精度要求不高，所以足够应对所需场合。当 机械运转为了获取效率而将速度加快时，当产品质量、精 度要求越来越高时，电机停止位置的控制就不是一般电机 所能达到的了。解决这一问题的最佳方法是采用 NC 定位控 制配合步进或伺服电机作定位控制。但在过去，因为它的 价格很高，而限制了它使用的普遍性，近年来因为技术的 发展及成本的降低，其价位已被用户所接受，使用数量也 越来越多。为配合这一趋势，永宏 PLC FBs 系列将目前市 面上专用的 NC 定位控制器功能整合在 PLC 内部 SoC 芯片 内，除了免掉 PLC 与专用 NC 定位控制器之间复杂的数据 交换与连结程序外，更大幅降低整体成

19、本，为用户提供一 种价廉物美、简单方便的 PLC 整合 NC 定位控制的方案。 永宏 PLC FBs-44MN 内部的 SoC 芯片含有多轴高速脉冲输 出以及高速硬件计数器，并且提供简易使用和设计的定位 程序编辑，对于这方面的应用，更是如虎添翼、如鱼得 水、得心应手了。 PLC 结合伺服驱动器所构成的 NC 闭环回路控制系统中， PLC 负责发送高速脉冲命令给伺服驱动 器，除了装在伺服电机的位移检测信号直接反馈到伺服驱 动器外，外加位移检测器装在传动机构之后，真正反映实 际位移量，并将此信号反馈到 PLC 内部的高速硬件计数 器，这样就可作更精确的控制，并且可避免上述半闭环回 路的缺点。永宏

20、PLC FBs 系列的定位功能将市面上专用 NC 定位控制器整合在 PLC 内，使 PLC 与 NC 控制器能共享相 同的数据区，而不需要作两个系统之间的数据交换与同步 控制等复杂的工作，但仍可用一般常用的 NC 定位控制指令 （例如DRV、SPD等。PLC控制4轴的定位工作，并可 作多轴同动控制，除了提供点对点的定位速度控制，还提 供了各轴间直线插补功能。当系统应用超过 4 轴时还可利用 永宏 PLC 的 CPU LINK 功能达到更多的定位运动控制。数 控机床对位置系统要求的伺服性能包括:定位速度和轮廓切削进给速度。定位精度和轮廓切削精度。精加工的表面粗 糙度。在外界干扰下的稳定性。这些要

21、求主要取决于伺服 系统的静态、动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有 较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机 床移动部件会迅速反应。在数控机床的加工中，伺服系统 为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足 够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使 用。伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界 限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动 要求也就更高。此外，从系统控制角度看也有一个检测与 反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件 处理的时间是否足够。全闭环伺服系统是将位置检测元件 置于被测坐标轴的终端移动部件上，以检测机械传动

22、链中 螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差，并进行反 馈补偿控制，从而提高机床的位置控制精度。在全闭环伺 服控制系统中，对位置检测元件和反馈元件的选择很关 键。感应同步器具有精度高、重复性好、抗干扰能力强， 耐油耐污及维护简单等优点，特别适合于高精度全闭环数 控机床的工作场合。数控机床要求具备稳定性、快速性和 准确性，而大型数控机床的机械传动装置转动惯量较大， 固有频率低，要使其大大高于系统截止频率很困难，全闭 环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的非线性因素，调 整不当很容易使机床产生抖动现象。因此数控机床全闭环伺服系统在保证快速性的基础上主要 是解决机床进给运动的稳定性而获得比半闭环伺服

23、系统高 的位置精度。伺服电机的编码器将位移检测信号反馈到伺 服驱动器，驱动器将输入信号的脉冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲数，经内部的偏差计数器与频率转电压 电路处理后，得到脉冲偏差值与转速误差值，这样使控制 伺服电机实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系 统。伺服电机的转速与输入信号的脉冲频率成正比，而电 机的移动量则由脉冲数决定。图4是PLC控制下的伺服电机工作示意图。h冷JU冲图4数控机床伺服电机工作示意图4.2相关程序设计与操作PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。因为PLC工作过程是循环，所以程序执行速度很快。另外软件故障检测 设计在采用硬件设计的基础上采用软件检测外部行程开关 状态，当行程开关失灵后，通过程序控制停止机床的运 行，有效地减少了机床因元件失灵造成的事故。图5