1、8.1可编程序控制器系统概述数控机床的控制分为两大部分:一部分是坐标轴运动的位置控制,另一部分是数控机床加工过程的顺序控制,如主轴的起动、停止和转速的变化,刀库按程序的要求实现换刀,液压、润滑、冷却、排屑装置的起停,工件的装夹,行程极限保护、过载保护等一系列开关量控制。8.1.1可编程序控制器的应用形式为叙述PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系,常把数控机床分为“CNC侧”和“MT侧”(机床侧)两大部分。“CNC侧”包括CNC系统的硬件和软件以及与CNC系统连接的外围设备。“MT侧”包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置,机床操作面板,继电器线路
2、,机床强电线路等。1.数控机床中的PLC有3种配置方式1)PLC在机床侧。它代替了传统的继电器-接触器逻辑控制,PLC有(m+n)个输入/输出(I/O),如图8-1所示。2)PLC在电气控制柜中。PLC有m个输入/输出(I/O),如图8-2所示。3)PLC在电气控制柜中,而输入/输出接口在机床侧,如图8-3所示。这种配置方式使CNC与机床接口的电缆大为减少。图8-1PLC在机床侧 图8-2PLC在电气控制柜中 图8-3PLC在电气控制柜中,I/O接口在机床侧2.CNC侧和机床侧之间信号的处理(1)CNC侧到机床侧的PLC信号CNC数据经PLC处理后通过接口送至机床侧,其信号有S、T、M等功能代
3、码。1)S功能处理。主轴转速可以用S2位代码或4位代码直接指定。在PLC中,可用4位代码直接指定转速,如某数控机床主轴的最高、最低转速分别为3150r/min和20r/min,CNC送出S4位代码至PLC,将二-十进制数转换为二进制数后送到限位器。当S代码大于3150时,限制S为3150,当S代码小于20时,限制S为20。此数值送到D-A转换器,转换成203150r/min相对应的输出电压,作为转速指令控制主轴的转速。2)T功能处理。数控机床通过PLC可管理刀库,进行自动刀具交换。处理的信息包括选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。3)M功能处理。M功能是辅助功能,根据不同
4、的M代码,可控制主轴的正、反转和停止,主轴齿轮箱变速的换挡,主轴准停,切削液的开与关,卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。(2)机床侧到CNC侧的PLC信号从机床侧输入的开关量经PLC逻辑处理传送到CNC装置中。机床侧传递给PLC的信息主要是机床操作面板上各开关、按钮等信息,包括机床的起动、停止,工作方式选择,倍率选择,主轴的正、反转和停止,切削液的开、关,卡盘的夹紧、松开,各坐标轴的点动,换刀及行程限位等开关信号。3.数控机床PLC的类型数控机床使用的PLC有两种形式:一种称为内装型PLC;另一种称为独立型PLC。(1)内装型PLC内装型PLC从属于CNC装置,PLC与CNC间的
5、信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT(机床侧)则通过CNC输入/输出电路实现信号传送,如图8-4所示。图8-4内装型PLC的CNC系统1)内装型PLC实际上是CNC装置带有的PLC功能,作为一种基本的功能提供给用户。2)内装型PLC的性能指标(如:输入/输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等)是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的 3)在系统的结构上,内装型PLC可与CNC共用CPU,也可单独用一个CPU;内装型PLC一般单独制成一块附加板,插装到CNC主板插座上,不单独配备I/O接口,而使用CNC系统本身的I/O接口;PLC控制部分
6、及部分外电路所用电源由CNC装置提供,不另备电源。4)内装型PLC结构可与CNC系统共有某些高级功能,如梯形图编辑和数据传送功能等。(2)独立型PLC独立型PLC是输入/输出点数、接口技术规范、程序存储容量以及运算和控制功能等能满足数控机床控制要求的通用PLC。独立型PLC具有完备的硬件和软件功 能,能够独立完成规定的控制任务。独立型PLC的CNC系统如图8-5所示。图8-5独立型PLC的CNC系统1)独立型PLC的基本功能结构与前述的内装型PLC完全相同。2)数控机床应用的独立型PLC,一般采用中型或大型PLC,I/O点数一般在200点以上,所以多采用模块化结构,具有安装方便、功能易于扩展和
7、变换等优点。3)独立型PLC的输入/输出点数可以通过输入/输出模块的增减配置。有的独立型PLC还可通过多个远程终端插接器,构成有大量输入/输出点数的网络,以实现大范围的集中控制。4.PLC硬件构成PLC硬件构成如图8-6所示。它主要由中央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出模块以及供电电源组成,各部分通过总线连接起来。由于PLC实现的任务主要是动作速度要求不特别快的顺序控制,因此不需使用高速微处理器。图8-6PLC硬件构成5.输入/输出模块PLC的输入/输出模块是PLC与数控装置的输入/输出接口和其他外部设备连接的部件。PLC的输入/输出模块可以直接连到执行元件上,它将外部过程信号转换成控制
8、器内部的信号电平,或将内部信号电平与外部执行机构所需电平相匹配。根据所控对象不同,PLC接收的输入信号电压和控制的输出信号电压也各异,有直流24V、交流110V或220V等。因此,PLC提供了各种操作电平、驱动能力以及各种功能的输入/输出模块供用户选用,如输入/输出电平转换、串/并行转换、数据传送、数据转换、A-D转换、D-A转换以及其他的功能控制模块。6.编程器与编程编程器是PLC的主要辅件。编程器用于用户程序的编制、调试、监视、修改和编辑,并最后将程序固化在EPROM中。8.1.2梯形图与用梯形图诊断故障1.梯形图的编制FANUC数控系统使用的是内装式可编程机床控制器(PMC)X是机床到P
9、MC的输入信号,是机床操作板上使机床运行的按钮、开关,如自动加工起动、暂停、急停等信号;Y是PMC到机床的输出信号,是指令机床的电控元件动作的继电器、电磁阀,如使主轴正转、反转、停止、切削液打开或关闭等信号。图8-7梯形图信号传送2.用梯形图诊断故障用梯形图诊断故障就是根据操作者施行的机床操作或CNC执行的加工程序指令检查PMC的输入/输出信号状态,由此判断接线或强电柜的继电器、电磁阀、开关及按钮等的故障。如图8-8所示,图中Rxxxx.x是PMC内的存储单元,称为内部继电器,由PMC写1或置0。若手动按下主轴正转按钮X1.3,则M03(R1.3)=1,主轴正向转动。若按下X1.3时主轴并未正
10、转,则应检查R1.3是否为1,为1时图中的R1.3图标显得比较亮。若 不是,则需检查接线是否断,否则应更换按钮。图中的其他部分:DEC是BCD数据的译码指令,M03、M04、M05、REST均为梯形图内部处理的点。图8-8用梯形图诊断故障8.2可编程序控制器在数控机床上的使用8.2.1实现M、S、T等辅助功能1.PLC在数控装置和机床之间的任务PLC在数控装置和机床之间进行信号的传送和处理,即把数控装置对机床的控制,通过PLC去控制,同时也把机床的状态信号送还给数控装置,便于数控装置进行机床自动控制。2.由PLC实现主轴转速功能S控制PLC控制机床的主轴转速S功能有两种形式:S二位代码和S四位
11、代码。1)如用S二位代码控制时,要找到S代码所对应的主轴转速,再去控制主轴转速。通过PLC处理时经过电平转换、译码、数 据转换、限位控制和D-A转换后输出给主轴电动机伺服系统。2)如用S四位代码,可直接指定主轴转速。有时数控系统中为了提高主轴转速的稳定性,保证低速时的切削力,主轴传动系统中有机械变速,并可通过辅助功能M代码来进行换挡选择。当主轴转速S代码为四位代码时,PLC的S功能程序流程如图8-9所示。在图中为保证速度的安全,将其限制在203000r/min范围内。这样一旦给定值超过上下界限时,则取相应界限值作为输出结果。3.由PLC实现刀具功能T控制刀具功能T由PLC实现控制,这给数控机床
12、的自动换刀的管理 带来了很大的方便。如刀具编码T功能的刀具找刀处理过程是,数控装置送出T代码指令给PLC,PLC经过译码,在数据表内检索,找到T代码指定的新刀号所在的数据表的表地址,并与现行刀号进行判别比较。如不符合,则将刀库回转指令发送给刀库控制系统,直到刀库定位到新刀号位置时,刀库停止回转,并准备换刀。图8-9S功能程序流程 图8-10 联合控制主轴转速原理图4.由PLC实现辅助功能M控制PLC完成M功能是广泛的,根据不同的M代码,可控制主轴的正反转及停止,主轴齿轮箱的变速,切削液的开、关,及自动换刀装置的机械手取刀、归刀等运动。8.2.2可编程序控制器的故障表现1.涉及PLC方面的三种故
13、障表现形式数控机床的PLC自身故障率很低,而有关PLC方面的故障多数出在输入/输出电路,当数控机床的故障涉及PLC方面时,一般有三种表现形式。1)CNC能够显示故障报警,故障原因准确。2)虽然有CNC故障显示,但不是反映故障的真正原因。3)CNC及PLC都没有任何提示。对于后两种情况,要根据PLC的梯形图和输入/输出状态信息来分析和判断故障的原因,这种方法是解决数控机床外围故障的基本方法。2.诊断PLC方面故障的要点 1)要了解数控机床各部分检测开关的安装位置,如加工中心的刀库和机械手、回转工作台;数控车床的旋转刀架和尾座;机床的气、液压系统中的限位开关、接近开关和压力开关等,要清楚检测开关作
14、为PLC输入信号的标志。2)要了解执行机构的动作顺序,如液压缸、气缸的电磁换向阀等,要清楚对应的PLC输出信号标志。3)要了解各种过程标志,如起动、停止、限位、夹紧和放松等标志信号。4)可借助编程器跟踪梯形图的动态变化,分析故障的原因,根据机床的工作原理作出正确的诊断。8.3可编程序控制器方面故障维修8.3.1可编程序控制器方面故障诊断的方法1.根据PLC报警号和梯形图跟踪诊断故障数控系统的PLC在设计程序时,设计一些故障报警信息,为用户提供排除故障的直接信息。2.根据动作顺序诊断故障数控机床上刀库及托盘等装置的自动交换动作,都是按严格的顺序来进行的。因此,观察这些装置的动作过程,比较故障时和
15、正常时的情况,就能发现疑点,判断出故障的原因。3.根据控制对象的工作原理诊断故障数控机床的PLC程序是按照控制对象的工作原理设计的,所以可以通过对控制对象工作原理的分析,结合PLC的输入/输出状态进行故障诊断。4.根据PLC的输入/输出状态诊断故障在数控机床中,输入/输出信号的传递,一般要通过PLC的I/O接口来实现,因此一些故障会在PLC的I/O接口通道上反映出来。数控机床的这个特点为故障诊断提供了方便。5.通过PLC梯形图诊断故障根据PLC的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法。如果采用这种方法诊断机床故障,首先应该查清机床的工作原理、动作顺序和联锁关系,然后利用数控系统
16、的自诊断功能或通过机外编程器,根据PLC梯形图查看相关的输入/输出及标志位的状态,以确定故障原因。6.动态跟踪梯形图诊断故障有些PLC发生故障时,查看输入/输出及标志状态均为正常,此时必须通过PLC动态跟踪,实时跟踪输入/输出及标志状态的瞬间变化,根据PLC动作原理作出诊断。8.3.2维修案例1.“刀库换刀位置错误”故障的排除某台数控加工中心的换刀系统在执行换刀指令时,机械臂停在行程的中间位置上,系统显示报警信号,查机床说明书后知该报警信号表示换刀系统机械臂位置检测开关信号为“0”,即“刀库换刀位置错误”。2.换刀臂平移时无拔刀动作故障的排除某立式加工中心换刀臂平移至C时,无拔刀动作。图8-1
17、1所示为自动换刀控制示意图。图8-11自动换刀控制示意图诊断:ATC工作的起始动作状态是,主轴保持要交换的旧刀具,换刀臂在B位置,换刀臂在上部位置,刀库已将要交换的新刀具定位。3.脚踏尾座开关时产生报警故障的排除一台配备FANUC-0T系统的某数控车床,当脚踏尾座开关使套筒顶尖顶紧工件时系统产生报警。尾架套筒的PLC开关输入如图8-12所示。图8-12尾架套筒的PLC开关输入 图8-13尾座套筒液压系统图8-13所示为尾座套筒液压系统。当电磁阀YV4.1通电后,液压油经减压阀、节流阀和液控单向阀进入尾座套筒液压缸,使其向前顶紧工件,压力继电器常开触点接通。松开脚踏开关后,电磁换向阀处于中间位置
18、,油路停止供油。4.分度工作台不分度故障的排除一台配备SINUMERIK 810数控系统的加工中心,出现分度工作台不分度的故障且无报警。诊断:工作台分度时首先将分度的齿条与齿轮啮合,这个动作是靠液压装置来完成的,由PLC输出Q1.4控制电磁阀YV14来执行,PLC梯形图如图8-14所示。图8-14分度工作台PLC梯形图5.二工位主轴停转故障的排除一台配备SINUMERIK 810数控系统的双工位、双主轴数控机床,如图8-15所示。机床在AUTOMATIC方式下运行,工件在一工位加工完还没有退到位且旋转工作台正要旋转时,二工位主轴停转,自动循环中断,故障报警内容表示二工位主轴速度不正常。诊断:两
19、个主轴分别有B1、B2两个传感器检测转速,通过对主轴传动系统的检查,没有发现问题。用机外编程器观察梯形图的状态,如图8-16所示。F112.0为二工位主轴起动标志位,F111.7为二工位主轴起动条件,Q32.0为二工位主轴起动输出,I21.1为二工位主轴卡紧检测输入,F115.1为二工位刀具卡紧标志位。图8-15双工位、双主轴示意图 图8-16双工位、双主轴PLC梯形图某双工位卧式加工中心出现回转工作台不旋转的故障。6.回转工作台不旋转故障的排除 图8-17回转工作台PLC梯形图 诊断:用机外编程器调出有关回转工作台的梯形图,如图8-17所示。根据回转工作台的工作原理,工作台首先气动浮起,然后旋转,气动电磁阀YV12受PLC输出Q1.2的控制。根据加工工艺的要求,当两个工位的分度头都在起始位置时,回转工作台才能满足旋转的条件,I9.7、I10.6检测信号反映两个工位的分度头是否在起始位置,正常情况下两者应该同步,F122.3是分度到位标志位。
