1、高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用普通高等教育规划教材 数控机床电气控制数控机床电气控制 刘祖其刘祖其 刘刘 海海 编编 高等教育出版社高等教育出版社高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用第第7章章 PLC在数控机床的应用在数控机床的应用 7.1概述概述7.2 PLC与数控机床的控制与数控机床的控制7.3 PLC与与CNC及机床之间的信号处理及机床之间的信号处理7.4 S7系列系列PLC在数控机床的应用实例在数控机床的应用实例7.5 FANUC系列系列PLC在数控机床的应用实例在数控机床的应用实例7.6 实验与实训实验与实训高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.1概述
2、概述 PLC在数控机床中得到了广泛的应用，数控装置必须和PLC配合才能完成数控的控制功能。其中数控装置主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、译码、插补运算、伺服位置控制、刀库管理，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 PLC主要完成与逻辑运算有关的动作，并对其动作进行顺序控制，如主轴的正反转和停止、准停、主轴的起动和停止、刀架换刀、卡盘夹紧/松开、工作台交换、冷却和润滑控制、报警监测、排屑、机械手取送刀等一些辅助动作；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，进行
3、控制。它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分信息送往数控装置用于加工过程的控制。PLC是使用软件来实现控制的，可以进行在线修改，所以有很大的灵活性，具备广泛的工业通用性。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用自动换刀装置自动换刀装置液压装置液压装置自动润滑装置自动润滑装置自动排削装置自动排削装置回转台和交换台回转台和交换台图7-1 PLC应用在数控机床上的实物图高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.2 PLC与数控机床的控制与数控机床的控制 1.PLC在数控机床中的应用形式在数控机床中的应用形式 PLC在数控机床中应用分为两大类：内装型PLC和独
4、立型PLC。一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的，是由CNC生产厂家将数控装置(CNC)和PLC综合起来而设计的称为内装型PLC。另一类是专业的PLC生产厂家的产品，它的输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均满足数控机床控制要求的称为独立型PLC。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 2.内装型内装型PLC （1）内装型PLC与CNC的关系内装型PLC集成在CNC装置中，也称集成式PLC，它从属于CNC装置，是CNC装置的一个部件。如图7-2所示。（2）内装型PLC的特点硬件和软件整体结构紧凑、体积小、无噪声、无振动、抗干扰能力强;电路制作在同
5、一块印刷电路板上；电源由CNC装置提供,不需另备电源;可取代继电器,无接触不良、触点氧化、磨损等问题，节省电能，可靠性高。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用图7-2 内装型PLC与CNC系统框图高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 3.独立型独立型PLC （1）独立型PLC与CNC的关系 独立型PLC又称外装型PLC，它独立于CNC装置之外，是具有独立完成控制功能的PLC。大多采用模块化结构，装在插板式笼箱内,它的CPU、系统程序、用户程序、I/O电路，通信等均设计成独立的模块，I/O点数可以通过I/O模块的增减、配置灵活。独立型PLC的框图如图7-3所示。（2）独立型PLC
6、特点有独立I/O接口电路；独立的模块电路和插板式结构，安装方便,插板的增减灵活配置，功能易于扩展和变换，及远程终端连接器构成有大量I/O点的网络，实现大范围的集中控制；可以扩大CNC的控制功能。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用图7-3独立型PLC的CNC系统框图高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 4.PLC在数控机床中的控制功能在数控机床中的控制功能 （1）机床操作面板控制 1）操作面板的控制信号包括S、T、M 功能。2)S功能:主轴转速可以用S代码直接指定。如某数控机床主轴的最高、最低转速分别为3000 rmin和30 rmin，当S代码大于3000时，限制S为3000
7、，当S代码小于30时，限制S为30。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 3)T功能:数控机床通过PLC管理刀库，实现自动换刀，功能实现的信息包括刀库选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。4)M功能: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，主轴准停，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀、取刀、归刀等动作。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 （2）机床外部开关信号的控制 将机床侧的开关信号送入PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。如：按钮、温控、压力等开关信号。（3）输出信号控制 PLC输出的信号可由外围控制电路中的继电器、接触器和
8、液压及气动电磁阀对刀库、冷却、润滑和油泵电机等进行控制。（4）伺服控制 通过驱动装置，控制主轴、进给刀库的使能信号。（5）报警处理控制 当机床出现故障时，机床侧和伺服驱动的故障信号，会将报警标志区中的相应位置报警。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.3 PLC与与CNC及机床之间的信号处理及机床之间的信号处理 1.CNC侧与侧与MT侧的概念侧的概念在分析数控机床的PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、机床强电线路等的各部分信号之间的关系时，常把数控机床分为“CNC侧”和“MT侧”两大部分。CNC侧：包括CNC系统的硬件、软件以及CNC系统的外围设备。MT侧：包括机床的机械部
9、分辅助装置，以及机床操作面台、继电器线路、强电控制线路等。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 （1）CNC到MTCNC的输出数据经PLC逻辑处理，通过I/O接口送至MT侧。（2）MT到CNC从机床侧输入的信号经PLC逻辑处理传送到CNC装置中。机床侧传递给PLC的信号是机床操作面板上各开关、按钮等信息。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 2.PLC与与CNC及机床间的信息交换及机床间的信息交换 （1）MT侧至PLC MT侧的开关量信号通过I/O单元接口向PLC发送的信息,主要包括机床操作面板上各开关、按钮等信号，以及各运动部件的限位信息。如起动/停止，主轴正转/反转/停止、
10、切削液的开/关、坐标轴点动和刀架、卡盘的夹紧/松开等信号通过I/O单元接口输入至PLC中。（2）PLC至MT侧 PLC向MT侧发送的信息主要是控制机床执行元件的执行信号,如接触器、电磁阀、继电器的通/断电等动作信号及故障报警指示，这些信号通过PLC的开关量输出接口送到MT侧。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 （3）CNC侧至PLC CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中,CNC侧发给PLC的信息主要功能代码是M、S、T的功能信息，手动/自动方式信息及其他的状态信息。（4）PLC至CNC侧 PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,PLC发给CNC的信
11、息主要功能代码是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。是经PLC处理后的逻辑信息。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 3.PLC 与与CNC及机床之间的信号处理过程及机床之间的信号处理过程（1）CNC装置 机床 CNC装置 CNC装置的RAM PLC的RAM中。PLC软件对RAM中的数据进行逻辑运算处理。将处理后的数据还放在PLC的RAM中。对于内装型的PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床。对于独立型PLC，PLC将已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 （2）机床 CNC装置 信号传送和处理
12、：对于内装型PLC，机床输入的开关量信号 CNC装置的RAM PLC的RAM。PLC的进行逻辑运算处理后的数据还在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置的RAM中，由CNC装置软件读取RAM中数据。对于独立型PLC，开关量信号过PLC的输入接口送到PLC的RAM中，然后进行逻辑运算处理后的数据还放在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置的RAM中。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 4.数控系统数控系统PLC的工作过程的工作过程PLC在数控机床中的工作过程分为以下几个步骤：（1）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，并将此状态读入到数据输入映象寄存器
13、中。（2）程序执行 程序执行 是对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入数据输入映像寄存区、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。（3）输出刷新阶段 当所有指令执行完成后，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。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.4 S7-200系列系列PLC在数控机床的在数控机床的应用实例应用实例 7.4.1 PLC与与PMC7.4.2 数控机床润滑系统的控制实例数控机床润滑系统的控制实例7.4.3 数控机床液压卡盘和液压尾座控制实例数控机床液
14、压卡盘和液压尾座控制实例7.4.4 数控机床急停、进给保持控制实例数控机床急停、进给保持控制实例高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.4.1 PLC与与PMC PLC与PMC。有些数控系统厂商将用于数控机床的外围辅助电气控制称为PLC，有些学者和工程人员在数控机床中仍然应用PLC的简称；而FANUC等将PLC称为PMC；由于PMC与传统的PLC相比较非常相似，是专门用于机床，所以称为可编程序机床控制器。PMC更适合机床，优点是时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随应用场合的不同而改变。本章在介绍SIEMENS数控系统时引用PLC，介绍FANUC数控系统时引用PMC。高等教育出
15、版社第7章 PLC在数控机床的应用 S7-200系列PLC 主要应用于SINUMERIK802S、802C、802D车/铣经济型数控机床；S7-300系列PLC主要应用于 SINUMERIK810D CCU1车/铣中档型数控机床、840DNCU571铣/磨/冲中档型数控机床、840DNCU572、840DNCU573铣/磨/冲/镗高档型数控机床。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.4.2 数控机床润滑系统的控制实例数控机床润滑系统的控制实例 图7-4是某数控机床润滑系统的电气控制与PLC接线图。润滑系统控制程序的设计，I/O口定义为：I0.5为润滑油路压力正常；I0.7为运转起动；
16、Il.5为润滑电动机过载；I1.6为润滑油不足；Q0.0为故障报警；Q1.6为润滑电动机起动。（1）各符号的作用 SB3（I0.7）润滑电动机运转启动开关；SL3（I1.6）润滑油不足触头；SP3（I0.5）润滑油路压力正常；QF3（I1.5）主电路是润滑电动机过载开关，控制电路是常闭触头；HL3润滑报警信号灯；KA3中间继电器；D润滑电动机启动；KM3接触器。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用图7-4 数控机床润滑系统电气控制与PLC接线图高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 （2）润滑系统工作原理按运转准备按钮SB3，网络1单元中I0.7为1，使输出信号Q0.6接通中间继
17、电器KA3线圈，KA3触点又接通接触器KM3，使润滑电动机M起动运行，通过其自身的Q0.6触点自锁。当Q0.6为1时，网络2单元的Q0.6触点闭合，T37号定时器开始计时，设定时间为20s，到达20s后，T37为1，网络1单元的T37触点断开，Q0.6为0，润滑电动机停止运行。同时也使网络4单元中的M0.2为1并自锁。网终5单元的M0.2为1，使T38定时器开始计时，计时时间设定为30min，到达时间间后，输出信号T38为1，使网络6单元的T38触点闭合，Q0.6输出并自锁，润滑电动机M重新起动运行，重复上述控制过程。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 网络1：润滑电动机起动；网络2
18、：运行20s后断开润滑电动机；网络3：已运行20s后但润滑油路压力不正常；网络4：润滑电机运行计时到；网络5：延时30 min 再接通润滑电动机；网络6：已停止运行30分润滑油路压力正常。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 （3）涧滑系统的故障监控1)当润滑油路出现泄漏或压力开关SP3失炅时，电动机M已运行20s，但压力开关SP3未闭合，网络3中I0.5触点未打开，M0.3为1并自锁，一方面使网络7中M0.7输出为1，使网络1中M0.7触点打开，断开润滑电动机；另一方面网络8中M0.7触点闭合，使Q0.0输出为1，接通报警指示灯HT3亮，经过T39、T40定时器控制，信号报警灯将出现
19、闪烁。控制程序如图7-5所示。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 2)当润滑油路出现堵塞或压力开关失灵时，在电动机M巳停止运行30min后，压力开关SP3未断开，则网络6单元的I0.5闭合，M0.4输出为1，同样使网络7单元的M0.7输出为1，结果与第一种情况相同，使润滑电动机不再起动，出现报警。3)如果润滑油不足，液位开关SL3闭合，网络7单元的Il.6闭合，同样使M0.7为l，断开电动机M出现报警。4)润滑电动机M过载，QF3断开电动机M主电路，同时QF3的辅助触点合上，使网络7单元的Il.6合上，同样使M0.7为1，断开电动机M的控制电路出现报警。网络7为机床润滑系统故障；网络
20、8为润滑报警信号灯；网络9为信号灯亮的时间；网络10为信号灯灭的时间；网络11为过载诊断号；网络12润滑油不足诊断号；网络13为润滑油堵塞诊断号。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用图7-5润滑系统PlC控制梯形图高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.4.4 数控机床急停、进给保持控制实例数控机床急停、进给保持控制实例 以CK6150数控车床为例，图7-7是急停处理和进给保持处理子程序梯形图。急停和 进给保持是PLC送给CNC的辅助控制反馈的同步信号，用来反馈辅助控制信息，同步NC程序的执行。当出现X轴越限、Z轴越限、油泵过载、主轴过载或者伺服电机过热时，会发出急停控制信号Q
21、2.5，通知CNC进行急停处理。在换刀(Q0.3=1或Q0.4=1)期间，或者在自动工作方式而主轴还没有启动的情况下，向CNC发进给保持信号(Q2.6)，使CNC锁定进给，保证机床安全。控制程序过程如下：高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 网络1：X轴限位Il.4、Z轴限位I1.5、油泵停止I0.5，主轴过载或伺服电机过热M0.0，外部急停Q2.5。网络2：主轴低速Q0.0或高速Q0.1，启动后延时0.2S。网络3：主轴过载，伺服准备好I2.0，伺服不过热12.1，输出M0.0。网络4：急停报警指示。网络5：X轴超程指示。网络6：Z轴超程指示。网络7：JOG方式I2.5，自动时主轴已
22、启动M0.1，换刀结束(Q0.3=0，Q0.4=0)，解除进给保持Q2.6=1。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.5 FANUC系列系列PLC在数控机床的应在数控机床的应用实例用实例7.5.1 FANUC系列系列PLC数控机床数控机床7.5.2 工件加工计数控制实例工件加工计数控制实例*7.5.3 主轴控制实例主轴控制实例*7.5.4 刀库换刀控制实例刀库换刀控制实例高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用7.5.1 FANUC系列系列PLC数控机床数控机床 FANUC系列的PMC是专用于数控机床外围辅助电气部分的自动控制，即称为可
23、编程序机床控制器。在数控系统中控制伺服电动机和主轴电动机做各种进给切削动作的是系统部分，控制机床外围辅助电气部分的是PMC，如换刀系统的控制，主轴松、紧刀机构，刀库旋转、定位，润滑系统、冷却系统。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 在基本指令和功能指令执行中，PLC用一个堆栈寄存器暂存逻辑操作的中间结果，堆栈寄存器一共有9位，如图7-8所示，是按照“先进后出、后进先出”的原理工作。“写”操作结果压入时，堆栈各原状态全部左移一位；“取”操作结果时，堆栈全部右移一位，最后压入的信号首先恢复读出。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用 电动机正反转控制梯形图如图7-9所示。其中Xl.
24、0为正转启动按钮；Xl.1为反转启动按钮；Xl.2为停止按钮地址；Y48.0为正转输出；Y48.1为反转输出。图7-9所示的梯形图和程序语句，采用的是FANUC PLC可编程机床控制器的指令绘制的梯形图和编的程序，图7-10所示的梯形图和程序语句，采用的是三菱FX 指令。它们之间梯形图完全一样，操作码和操作数有区别。在实际应用中，要注意区分。高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用高等教育出版社第7章 PLC在数控机床的应用第第7章章 结束结束
