PLC在数控机床中应用

论文题目：PLC在数控机床中应用目录引言 4（一）研究背景 4（二）国内外研究现状 4（三）课题来源及意义 5（四）设计的目的 5（五）研究的内容及解决的办法 5一、数控机床 6（一）数控机床的组成 6（二）数控机床的工作原理 7（三）数控机床的分类 8（四）数控机床的特点 8二、计算机数控系统 8（一）PLC系统的组成 8（二）PLC系统的功能和工作过程 9（三）计算机数控中的PLC 10（四）PLC在CA6140机床中的应用 12（五）数控机床PLC控制要求 12三、PLC控制系统设计 13（一）硬件设计 13（二）梯形图程序设计 15四、结论 21参考文献 22致谢 22

PLC在数控机床中应用摘要：在数控车床控制系统中，S7-200PLC作为伺服系统的上位机装置的使用越来越广，本文探讨S7-200PLC在数控车床控制系统中的具体应用，以CA6140型数控机床为例，操作面板里的数字信息传递到数控装置中，信号经过分析后，以脉冲信号向可编程控制器发出指令信号，让机床本体执行相关动作，控制主轴的起动和停止以及刀具换刀等动作，最后控制系统发出完成信号。关键词：数控机床；PLC；设计与实现

引言（一）研究背景作为一种加工运动系统，数控系统具备较高的精度要求，在加工路径选择方面，需要专业软件制定，继而传输于载体，数控系统进行读取，并通过有效地编译，从而促使机床按照程序的要求对零件进行加工处理。数控机床的传统控制方法是由传统的继电器逻辑电路RLC完成的，它以机床当前运转状况为根据，使机床依照预先规定的动作有序工作。但是存在一些故障，例如只能处理一些开关量简略逻辑运算。当机床中的受控对象不少时，或控制动作次序繁杂时，就必须利用大量的器件，这样造构成体积变大，可靠性变差等。随着技术不断的发展，PLC利用软件实现用户逻辑，具有数字和模拟量的输入和输出、通信和人机对话等功能，可靠性高，抗干扰能力强。机床相关开关动作由PLC的辅助控制操作，PLC能够控制机床的动作或者将信息传递到数控装置，便于加工过程中的控制[1]。本文中利用PLC控制CA6140数控机床，实现数控机床中主轴的启动与停止，正反转，以及机床加工过程中刀架的快速移动和转换。（二）国内外研究现状19世纪50年代，美国发明出世界上第一台三坐标数控铣床，有2000多电子管构成，功能单一，标志着数控机床的诞生。随着电子技术的持续发展，也推动了数控技术的进步。60年代初，人们研究出晶体管器件，数控设备中开始普遍采用晶体管，第二代数控时代到来。1965年，小规模的集成电路出现，体积不断缩小、功耗低，让数控系统的可靠性进一步增加，这表明了数控系统发展到第三代。1970年，在美国一场国际机床讨论会上，计算机数控机床问世，其体系灵活、通用性好，称为第四代数控机床[2]。近年来，微处理器控制数控系统的数控机床得到了快速壮大，应用范围较广，这就是第五代数控系统。随着数控机床的发展，PLC因其较强的通用性，完善的功能，体积小及可靠性高等特点被广泛应用于数控机床中。在产品工艺、自动控制和机床控制等方面，具有重要角色。机床相应的开关动作由PLC通过辅助控制装置完成，比如工件的夹放，冷却液的开及关，主动润滑等。在数控机床的刀架自动换刀控制，机床的进给电路，以及加工过程中位置的精确定位有着重要应用。（三）课题来源及意义数控车床又叫CNC车床，是当前国内外数量最多的一种数控机床[3]。它是将电气、微电子和信息等多项技能为一体的机电化产物，是现代制作装备中具备高自动化、高精度、和高效率等长处的母机。近几十年得到了迅速的发展。数控机床加工过程中，系统的DT编码被可编程控制器所识别，解码后与数据搜索，能够找到代码T指定的刀号，然后与当前的刀号比较，如果它们不一样，就会马上发出管制指令信号，知道遇到符合的刀号为止。详细过程是利用软开关PLC输入端的电机转动到对应的位置，在换刀的进程中，机电将反转。如今，在数控控制系统中，PLC在控制系统中作为伺服系统的上位机装配的利用十分普遍，所以研究PLC在数控车床控制系统中的应用有利于我们了解数控车床的特点、作用，对数控机床的探究有深刻的意义。（四）设计的目的本次设计主要是对PLC在数控机床中的具体应用。主要是对数控车床的控制电路进行设计，数控车床的主轴主电路以及加工过程中刀具的换刀设计，以达到车床控制电路的简略，并且容易检查出故障的部分，方便维修的目地。额外希望能减少继电器元件的使用，使车床工作效率得到提高。（五）研究的内容及解决的办法本文主要探讨S7200PLC在CA6140车床上的应用。该车床主回路有三台电动机。主轴电动机，使用直接起动的形式，可以正转，也能够反转在研究过程中，控制电路启动电流往往比较大，因此在设计过程中，主轴的正反转采用星型和三角启动，在刀位换刀的利用上，传统的刀架只能进行简单的转换，因此在工位刀架上设置两个检测器用于检测，判断它的当前位置及其已经旋转的位置数。主轴的变速首先要将它的变速器件送到一定的转速位置上，一般都有个缓冲时间，计数器达到复位条件，便开始复位。当定时时间到了后，复位断开，计数器计数，统计出变速的次数；按下锁杆运动开关，变速系统便开始工作。一、数控机床（一）数控机床的组成数控机床一般由机床本体、CNC单元、输入/输出设备、伺服单元、驱动装置、可编程控制器PLC等组成。如下图：图1.1数控机床的基本组成⑴机床本体数控机床的机床本体由主轴传动装置、进给传动装置及辅助装置等构成，充分利用数控机床的优点和符合数控机床的要求。⑵CNC单元CNC单元将信息接受后，在数控装置的译码、插补、逻辑处理等处理后，把指令输出到伺服系统中，来驱动执行部件作进给运动。⑶输入/输出设备输入装置把信息送到计算机的外部设备。输出设备主要输出机床内部参数，如正常运行情况下的原始参数。⑷伺服单元伺服单元里有驱动器、驱动电机，数控机床进给系统包含机械传动与执行部件。对于步进电机，脉冲信号让电机转过一个角度，就会使机床移动部件移动。（5）驱动装置驱动装置是指经过放大的指令信号变成机械运动，通过一些连接部件驱动数控机床，让工作台依据规定的轨迹作对应的相对运动，加工出要求的零件。⑹可编程控制器可编程控制器是以微处理器为基础的自动控制装置，它是数控机床重要的控制装置，PLC和CNC之间的互相配合，共同完成对数控机床控制。（二）数控机床的工作原理加工程序在操作面板的控制下，把相关的信息传送到数控装置。而数控装置把收到的信息处理，将处理的数据通过脉冲信号方式来输出，可以使PLC的S,M和T功能实现，让机床本体马上执行这些命令，及时把相关的信息反馈到数控装置中去；一方面向系统的伺服结构发出进给等信号[4]。当伺服系统收到进给执行命令时，马上驱使机床主体的坐标轴严格依据信号要求精确进行位移，实现工件的加工。在各坐标轴位移进程中，检测反馈装置把测量到的真实值与信号的指定值相比，之后以高速向伺服系统发出赔偿执行信号，一直到真实值与信号值合乎为止。以上总结出数控机床的原理：数控装置内的计算机对零件加工程序进行译码后，通过PLC和伺服系统向机床执行机构发出信号，让机床主体依照指令，在反馈装置的检测下，实现对加工零件的各种动作，比如刀具的运动轨迹、进给速度和位移量等完成自动控制。如图：图1.2数控机床的工作原理（三）数控机床的分类数控机床分类包含点位控制，直线控制，开环和闭环控制机床等。一般的点位控制机床只能完成从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行其余加工工序[5]。如数控钻床、数按坐标镗床等。直线控制机床是指点位直线控制除了点位控制功能外，还能够完成平行于坐标轴的直线进给运动。开环控制机床系统中没有位置反馈装置。闭环控制的机床是在机床最后的运动部件对应位置将直接检查到的位移或者角位移量反馈给数控装置比较器，让其和输入指令移量进行比对，通过差值的改变来控制运动部件，使其依据现实需要的位移量运动。在数控机床中，多采用直线控制和闭环控制机床。（四）数控机床的特点数控机床的控制单元是数控机床的大脑，数控机床的操作和监控是在控制单元里完成。数控机床的特点有：1、数控机床自身精度高，所以利用合理的加工用量，让生产率提高；2、能够完成多坐标的联动，对复杂零件的加工；3、当加工零件改变时，将数控程序重新编辑，不浪费生产过程中的准备时间；4、加工要求的精度高，质量稳定；5、数控机床自动化水平高，劳动力得到充分利用。二、计算机数控系统（一）PLC系统的组成PLC是由硬件和软件两部分组成。软件包括管理软件和控制软件。PLC装置的硬件结构中，CPU是PLC系统的中心。可编程只读存储器（EPROM）和随机存储器（ROM）主要是存放加工顺序运算的中间后果和解决后的结果。输入输出接口负责系统与外界进行信息的交流。并在PLC与外部起缓冲作用。MDI/CRT输入手动数据[6]。位置控制必不可少，完成速度的控制，驱使进给电机输出功率，实现进给运动。如下图：图2.1PLC系统的硬件结构（二）PLC系统的功能和工作过程PLC装置的功能包括基本功能和选择功能。基本功能是PLC系统基本的数控功能。以下是一些基本功能：1、控制功能主要表示了PLC系统控制的轴数。控制轴数的多少决定了PLC系统的复杂性。2、准备功能是指定机床的动作方式，包含基本移动，坐标值的变化，刀具进给等信号。3、插补功能指PLC系统控制刀具运动轨迹依据软件插补。插补软件每次插补一个表面步长的数据为粗插补，根据处理，步长输出单个脉冲叫精粗插补。4、进给功效包罗同步进给、切削进给及快速进给等，显示了刀具的进给速率。5、M功效用来指定主轴的启停和转向，刀具的改换，冷却液的开关，工件的夹紧和松开等。6、PLC体系具有补偿功效，对加工过程当中因为刀具磨损造成的偏差和过程中丝杠螺距偏差等进行赔偿。7、PLC系统有诊断程序，是为了避免产生缺陷，在故障呈现后可以快速检查出故障的缘由，避免了因故障惹起的时间的浪费。如下图为其工作流程图图2.2PLC系统的工作流程纸带或者MDI将零件程序输入到存储区，经过译码，将程序的信息翻译成计算机识别的数据并对其进行语法检查。译码后同时通过G指令处理，S,M,T处理以及刀补处理，计算出刀心坐标，求出段长。再经插补运算求出段值，将计算后的数据存放到运转缓冲区，为了位置控制程序的使用。位置调节器分析实际反馈位置与理论位置的差值后，调节，输出位置与速度控制信号，来控制机床的坐标轴运动。（三）计算机数控中的PLC1PLC的基本功能PLC的逻辑运算控制功效用软件完成，适用于控制对象的复杂性，控制逻辑也变得灵敏。用户的程序往往用梯形图编辑，比较直观，易于掌握它的工作原理。PLC与编程器，计算机等设施衔接，实现了程序的编辑、存放及诊断等操作。PLC的构造紧凑，体积小，可靠性高，运转中无噪声，具备较强的抗干扰，便于实现机床的一体化。在数控机床加工过程中，主轴S功用把CNC装置送出S代码进入PLC，通过译码，输给主轴的电机伺服系统。刀具T功能CNC装置将T代码指令给PLC，PLC找到T代码指定的新刀号所在地址，与现在的刀号进行相比，如合乎，就准备换刀。如不符合，刀库控制系统接收到回转指令，直到找到新刀号，就中止回转，然后换刀。2PLC的基本结构可编程控制器实质上是一种专业用于工业的计算机，它包含CPU，存储器，输出/输入接口电路和电源等。CPU是PLC的中心，控制PLC中系统程序，使PLC正常运转。系统存储器是存放系统的程序，使PLC具有一些基本的性能。而PLC的输出和输入信号有模拟量，开关量。它的接口单元包含两部分：输出输入的映像寄存器和与被控设施相连接的接口电路。输入单元接收外部的控制信号，将信息变换成CPU可以辨认的信号，存到输入映像寄存器，运行是CPU从输入映像寄存器读取输入的信息，按照用户程序进行计算，将计算结果放到映像寄存器。电源利用24V直流电源，里面的开关电源为CPU、存储器提供5V,24V等直流电源[7]。3机床用PLC工作流程PLC的扫描过程分为3个步骤：输入采样过程中，PLC扫描一切输入端子，将输入信号状态读入到输入映像寄存器。在程序执行阶段，输入映像寄存器的内容不变，再次写入输入端是在下一个扫描周期的输入采样阶段，PLC依照一定的步骤次序执行程序。PLC从输入映像寄存器中读入对应输入端子信息，从元件映像寄存器读入对应元件的当前信号。在输出刷新阶段，程序执行完成后，将一切输出继电器状态存放到输出锁存器中，而后以某种方法集中输出，最后通过输出端驱动外部负载。4机床用PLC分类数控机床中所用的PLC可分为两种：一种是完成数控机床次序控制而设计的内装型PLC;它实际上是CNC装置带有PLC的性能。可以与CNC共享一个CPU，也可以使用一个CPU。一种是输出输入点数，控制和运算功用和程序存储容量等均能满足数控机床要求的独立型PLC；独立型PLC与CNC装置无关。它能独立完成规定控制任务的装置。通常采用模块化结构，PLC的I/O模块的品种很多，所以输出输入点数可以经过增减I/O模块灵便配置[8]。与内装型PLC比较，它的功能更强。与数控机床系统之间的信息交流可采用通讯形式，使得信息交换量大而且方便。（四）PLC在CA6140机床中的应用本文选择CA6140数控机床，它的主回路有三台电动机，M1为主轴电动机，使用直接起动；冷却泵电动机以及刀架快速移动电动机。而刀架是数控机床的构成之一，挑选电动换刀架，以正确的形式操作，可以大幅提高设备的生产率，提高加工的精度。数控换刀能够通过T指令进行自动换刀，它是直接经过编程刀号作为目标刀位进行换刀。当刀架顺时针旋转是为选刀进程，反之为锁紧进程，选刀的监控时间和锁紧监控时间是有PLC的定时器操作。读取当前刀号，假如检测所选刀位合乎，中止刀架电动机，并且延时，若长时间旋转检测不到刀位信号，则应中止刀架电动机。（五）数控机床PLC控制要求数控机床此次的要求机床的主轴电动机，使用直接起动的形式，可以正转，也能够反转，为了减少控制电路启动时电流过大，采用星型和三角形启动；冷却泵电动机要用直接启动及停止，并且具备必要的短路保护以及刀架快速移动电动机。主轴的变速首先要将它的变速器件送到一定的转速位置上，一般都有个缓冲时间，计数器达到复位条件，便开始复位。当定时时间到了后，复位断开，计数器计数，统计出变速的次数；按下锁杆运动行程开关，伺服系统的变速就开始了。在刀位换刀的利用上，刀架能进行转换，因此在工位刀架上设置两个检测器用于检测，判断它的当前位置及其已经旋转的位置数。三、PLC控制系统设计（一）硬件设计1PLC的选型对CA6140车床控制电路分析后，其需要数字量19个输入点，13个输出点。所以选择西门子S7-200PLC主机型号为CPU226,，本身带有24输入和16输出的I/O点，满足此次PLC控制系统对I/O点数的设计要求[9]。此外，根据PLC控制的的电路，其所需电压由220V电源提供。2车床的主电路原理图根据系统的特点和要求，画出车床主电路的电气原理图，如下图所示

3I/O点的分配I/O地址分配如表：输入输出机床上电I0.0车床上电指示灯Q0.0机床断电I0.1主轴正转线圈Q0.1主轴正转按钮I0.2主轴正转星型线圈Q0.2主轴停止按钮I0.3主轴正转三角线圈Q0.3主轴反转按钮I0.4主轴反转线圈Q1.4刀架快速按钮I1.0主轴反转星型线圈Q0.4冷却启动按钮I1.1主轴反转三角线圈Q0.5一号刀架在位传感器I2.0刀架快速移动线圈Q0.6二号刀架在位传感器I2.1冷却泵Q0.7三号刀架在位传感器I2.2一号刀架Q1.0四号刀架在位传感器I2.3二号刀架Q1.1一号刀架选择按钮I1.3三号刀架Q1.2二号刀架选择按钮I1.4四号刀架Q1.3三号刀架选择按钮I1.5四号刀架选择按钮I1.6一号刀架传感器I2.4二号刀架传感器I2.5三号刀架传感器I2.6四号刀架传感器I2.7主轴变速按钮I3.0

（二）梯形图程序设计机床控制程序的设计流程:首先是主轴的正反转的实现，按下开关，I0.0通电，线圈Q0.0得电，车床上电指示灯亮起；当I0.1按下时，Q0.0断电，指示灯熄灭。主轴正转按钮I0.2按下时，正转线圈Q0.1通电，主轴正转星型线圈Q0.2实现功能，计时器T40设置一段时间后，主轴的正转变成三角启动，Q0.3得电。当按下主轴停止按钮时，I0.3失电，相应的主轴也都断电。在I0.2处于闭合状态下，按下主轴反转按钮I0.4，Q1.4通电，主轴开始反转，主轴星型线圈Q0.4工作，三角启动与正转类似[10]。当刀架快速移动时，I1.0得电，线圈Q0.6通电，刀架实现快速移动。冷却启动按钮I1.1按下时，Q0.7得电，主轴电路的冷却泵电机工作。主轴变速系统，当变速装置到达指定位时，按下变速按钮，让I3.0得电，T40线圈接通，一段时间后开始延时，这样是为了有一个缓冲时间，计数器的复位条件达到时，快速复位。当T40的定时时间过了之后，常开触点关闭，辅助继电器接通，计数器的复位端断掉，便开始工作计时。继电器闭合时，线圈得电，伺服系统的变速就开始工作。刀架转换过程中的步骤：刀号选择时，一号刀架在位传感器I2.0常闭，选择按钮I1.3通电，刀架的传感器I2.4常闭，指示灯Q0.0亮起，一号刀架Q1.0得电。二号刀架I2.1闭合，I1.4常开，刀架传感器I2.5得电，指示灯Q0.0工作，刀架Q1.1也通电，其余刀架的选择跟上述类似[11]。控制系统的PLC梯形图程序如下所示：

四、结论本篇论文主要介绍了S7-200PLC在CA6140数控机床