在数控机床中的应用

1、摘要 目前,可编程序控制器（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!可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用一种可编程序的存储器，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，通过数字式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过

2、程。组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。【关键词】：可编程序控制器 数字控制 顺序控制 操作指令 组合机床 自动循环引言 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配

3、套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长久的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光

4、公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。目录1.PLC在数控机床中的应用11.1 PLC和NC的关系11.2 PLC在数控机床中的应用 1.2.1 PLC在数控机床中的应用形式1  PLC与数控系统及数控机床间的信息交换 2  PLC在数控机床中的工作流程 21.3 PLC的特点 31.3.2功能强，适应面广 3 编程简单，容易掌握 32.PCL的应用现状5结论8致谢语9参考文谢101.PLC在数控机床中的应用1.1 P

5、LC和NC的关系PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。因此，在很多数控系统中将其称之为PMC（programmable machine tool controller）。数控系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样划分NC和PLC的作用范围：1、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由NC来完成；2、机床辅助设备的控制是由PLC来完成。它是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状

6、态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。 在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。NC和PLC的接口方式一直遵循国际标准“ISSO 4336-1981(E)机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为几种类型：与驱动命令有关的连接电路；数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；电源及保护电路；通断信号及代码信号连接电路。 从接口分类的标准来看，第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。第三类是由数控机床强

7、电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路，直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为PLC或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。反之，PLC或继电器逻辑控制来的控制信号，也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。1.2 PLC在数控机床中的应用1.2.1

8、0;PLC在数控机床中的应用形式 PLC在数控机床中应用通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为独立式。 内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑, PLC 和NC 之间没有多余的导线连接, 增加了系统的可靠性, 而且NC 和PLC 之间易实现许多高级功能。PLC 中的信息也能通过CNC&#

9、160;的显示器显示, 这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整 PLC与数控系统及数控机床间的信息交换 相对于PLC，机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有几个部分；机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号

10、的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改；PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义；CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存 器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由CNC 厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T 等功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存

11、器中； PLC至CNC:PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,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。 PLC在数控机床中的工作流程 PLC在数控机床中的工作流程，通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：输入采样：输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读出输入到映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，输入到映象寄存器的信号状态才会发生

12、变化；程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读出输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用；出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的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，通过特定方式输出，驱动外部负载。1.3 PLC的特点 PLC是应社会生产而产生的，从一开始发展到现在一直是向可靠性高，抗干扰能力强、配套齐全，功能完善，适用性强易学易用，深受工程技术人员欢迎、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造、体积小，重量轻，能耗低、对环境条件无要求、价格低廉

13、等社会生产方面的要求发展。 工业生产对控制设备的可靠性要求：平均故障间隔时间长；故障修复时间（平均修复时间）短任何电子设备产生的故障，通常为两种：一、偶发性故障。由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。二、永久性故障。由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。  通用性强，控制程序可变，使用方便 PLC品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产

14、工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。1.3.2功能强，适应面广 现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。 编程简单，容易掌握 目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方

15、式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及

16、人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。2.PCL的应用现状 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。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矿企业的相关数控 床设计改造借鉴。 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

17、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、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

18、才能保证数控机床正常高效运行。可编程逻辑控制器是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。系统控制中心采用PLC，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铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，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

19、、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，由于速度不快、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

20、配合步进或伺服电机作定位控制。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。 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

21、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

22、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

23、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。 PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。由于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。 我国是一个机床生产和应用大国，但数控技术的应用水平还不高，严重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。采用了PLC控制，使电气部

24、分的抗干扰能力增加，提高了机床的运行可靠性，因而增加了设备的柔性，提高了设备的使用效率。结论 21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程序控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程序控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程序控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control Syst