基于PLC的機床控制系統設計

1、河南工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計畢業(yè)論文（設計）題目： 基于PLC的數控機床控制設計 班 級 專 業(yè) 電氣自動化 學生姓名 指導教師 摘 要數控機床是一種機電一體化的數字控制自動化機床。早期的數控機床是依靠繼電器邏輯來實現相應的功能。由于繼電器邏輯是一種硬接線系統，布線復雜，體積龐大，更改困難，一旦出現問題，很難維修。這樣的系統，其可靠性往往也不高，影響正常的生產。本文正是針對這一問題展開工作的。本文介紹了西門子可編程控制器對CK9930機床的電氣控制部分的改造設計，重點闡述了數控機床PLC的功能、機床的電氣控制原理及相應的PLC程序編制與調試三方面的問題。并且詳盡地展示了PLC控制程序的開發(fā)過程

2、。根據數控車床所承擔加工任務的特點，可知其操作過程比較復雜。要用PLC控制車床動作，必須將PLC及其控制模塊和相應的執(zhí)行元件加以組合。所以在該控制程序的開發(fā)過程中，采用了模塊化的結構設計方法。本文主要完成了主軸控制、坐標軸控制、自動換刀控制、定時潤滑控制以及報警處理等功能的PLC控制程序的開發(fā)。并且利用FXGP_WIN-C軟件編寫了該機床的PLC控制程序，并借助其運行、監(jiān)控功能，通過相關設備，觀察了程序的運行情況。關鍵詞：PLC控制，數控車床，梯形圖目錄摘 要1第1章 概 述41.1數控系統的工作原理41.1.1 數控系統的組成41.1.2 數控系統的工作原理51.2 PLC的硬件與工作原理6

3、1.2.1 PLC簡介61.2.2 PLC的基本結構61.2.3 PLC的工作原理7第2章 數控車床PLC82.1 數控車床PLC的信息傳遞82.2 數控車床中PLC的功能92.2.1 PLC對輔助功能的處理92.2.2 PLC的控制對象92.3 用PLC實現車床電氣控制系統的功能102.4 利用PLC代替繼電器-接觸器控制方式的優(yōu)越性11第3章 CK9930數控車床電氣控制分析123.1 車床主要結構和運動形式123.2 車床對電氣控制的要求123.3 車床的電氣控制電路分析123.3.1 主電路分析143.3.2控制電路分析15第4章 PLC程序設計方法164.1 PLC的編程語言164.

4、2 PLC程序設計步驟164.3 PLC程序的模塊化設計184.4 輸入輸出分配184.5 梯形圖程序設計204.5.2 公用程序214.5.3 回原點程序214.5.4 主軸控制程序224.5.5 坐標軸控制程序244.5.6 報警處理程序274.5.7 定時潤滑控制程序274.5.8 冷卻程序294.5.9 自動換刀控制程序304.5.10 需要說明的問題324.6 梯形圖程序的調試324.7 本章小結33第5章 調試程序33結 論36致 謝38參考文獻39、第1章 概 述CK9930型數控車床配備的是華中I型數控系統，是一種比較老式的小型簡易經濟型數控系統。隨著數控技術的不斷進步與發(fā)展，

5、這一數控系統已不能滿足加工要求，本課題就是對現有的CK9930數控車床所進行的改造項目的一個組成部分。主要是車床電氣控制部分進行改造。車床電氣控制系統是控制車床各部分的工作、協調完成車床加工任務的核心部分，它由大量繼電器構成一個復雜的邏輯控制電路。該車床復雜的繼電器邏輯控制線路構成的電氣控制系統故障率高，難于維護，很有必要對其進行改造，即用PLC代替繼電器-接觸器控制方式。1.1數控系統的工作原理國際信息處理聯盟對數控機床做了如下定義定義：數控機床是一種裝有程序控制系統的機床，該系統能夠邏輯地處理具有使用號碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。這里所說的程序控制系統就是數控系統（Numerical

6、Control,簡稱NC）而現在的數控系統都是以計算機作為控制中心，所以稱為計算機數控(Computerized Numerical Control, 簡稱CNC)。1.1.1 數控系統的組成CNC系統的一般結構如圖1.1所示，CNC系統主要是指圖中的CNC控制器，它是由計算機硬件、數控系統軟件及相應的輸入/輸出接口構成的專用計算機和可編程控制器所組成。前者處理機床軌跡運動的數字控制，后者則處理開關量的邏輯控制。41 圖1-1 CNC系統的一般結構框圖1.1.2 數控系統的工作原理雖然數控系統種類繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通過運算器進行插補運算，然后對進給軸進行閉環(huán)控制，實現機床的

7、數控功能。（1）進給系統控制進給系統的控制大多是通過控制步進電機來實現的。步進電機是一種在外加電脈沖信號的作用下一步一步地運轉,將電脈沖信號轉換成相應角位移的機電元件。其角位移量和輸入脈沖的個數嚴格成正比,在時間上與輸入同步, 控制輸入脈沖的數量、頻率及電機繞組通電順序, 便可獲得所需的轉角、速度及轉動方向；無脈沖輸入時,在繞組電源的激勵下,氣隙磁場使轉子保持原來的位置狀態(tài)。利用這一原理,便可實現加工時縱、橫向的進給,并可獲得較高精度。（2） 開關量控制數控機床的開關量信號控制是通過PLC來完成的。機床的各開關量可通過I/O 口進行信息交換。由于I/O 口可輸入信號和輸出信號, 其輸出信號經過

8、邏輯譯碼電路轉換成多路的輸出信號, 可實現主軸電機、冷卻泵及主軸變速等的控制； 輸入口可接受行程限位開關暫停、主軸同步脈沖、選刀回答等信號。從而實現各種狀態(tài)的檢測, 最終實現機床的各開關量控制。（3）主軸控制數控系統只對主軸系統進行開關控制。數控裝置通過PLC對主軸系統進行起停控制。1.2 PLC的硬件與工作原理1.2.1 PLC簡介可編程序控制器（Programmable Controller）簡稱PC，為了不與個人計算機（也簡稱PC）混淆，通常將可編程序控制器稱為PLC。它是在電器控制技術和計算機技術的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為

9、一體的新型工業(yè)控制裝置。目前，PLC已被廣泛應用于各種生產機械和生產過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應用場合最多的工業(yè)控制裝置，并被公認為現代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。與一般微機控制系統最大的區(qū)別是，PLC必須具有很強的抗干擾能力、廣泛的適應能力和廣闊的應用范圍。1.2.2 PLC的基本結構PLC也是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。PLC硬件系統的基本結構如圖1.2所示。圖1-2 PLC的基本結構示意圖PLC的軟件系統則包括系統軟件和用戶應用軟件。從廣義上講，可編程序控制器PLC實質上是一種專用工業(yè)控制計算機，只不過比一般的計算機具有更強的與工業(yè)過

10、程相聯接的接口，以及具有更直接的適用于工業(yè)控制要求的編程語言。1.2.3 PLC的工作原理（1）PLC的工作過程PLC上電后，就在系統程序的監(jiān)控下，周而復始地按一定的順序對系統內部的各種任務進行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實質上是按順序循環(huán)掃描的過程。執(zhí)行一個循環(huán)掃描過程所需的時間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。PLC的工作過程如圖1.3所示。初始化CPU自診斷通信信息處理與外部設備交換信息執(zhí)行用戶程序輸入輸出信息處理圖1-3 PLC的工作過程（2）用戶程序的循環(huán)掃描過程PLC的工作過程與CPU的操作模式有關。CPU有兩個操作模式:STOP模式和RUN模式。在掃描周期內，STOP模式和RU

11、N模式的主要差別是：RUN模式下執(zhí)行用戶程序，而在STOP模式下不執(zhí)行用戶程序。PLC對用戶程序進行循環(huán)掃描可分為三個階段進行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。 第2章 數控車床PLC在數控車床中，位置控制是由位置控制器來實現的。而其它的大部分動作即輔助機械動作的控制如主軸啟停、換向,換刀控制、冷卻和潤滑系統的運行以及報警監(jiān)測等功能則可由可編程控制器(PLC)來實現。2.1 數控車床PLC的信息傳遞通過PLC來實現車床電氣控制系統的各項功能，需要將各種控制和檢測信號通過按鈕和檢測元件輸入PLC，再通過PLC內部程序的運算將結果輸出到各種執(zhí)行設備，完成電氣控制系統對于車床的控制。所以

12、就涉及PLC與數控裝置、機床之間的信息交換?？删幊炭刂破髋cCNC機床的強電、CNC數控裝置I/0口的聯接可歸納為下列三部分：（1）PLC輸入輸出端與機床面板信號聯接 CNC數控機床操作面板上有按鈕、旋鈕開關和指示燈等，按鈕、旋鈕開關直接與可編程控制器的輸入端接線柱相連，指示燈直接與PLC輸出端接線柱相連。（2）PLC輸出端與機床強電信號聯接 PLC在CNC機床中的主要作用是控制強電部分，如:主控電源、伺服電源、刀架電機正轉、潤滑電機等。每個電機的運行程序控制邏輯都固化在PLC中，受機床操作面板開關和數控系統軟件的控制。（3） PLC輸入端與CNC機床數控裝置I/O口的聯接可編程控制器輸出端的通

13、斷是由其輸入端通斷狀態(tài)及梯形圖程序決定的，CNC機床數控裝置與可編程控制器的聯接是通過軟開關直接控制PLC輸入端的通斷，以決定PLC輸出端的狀態(tài)。從數控裝置I/O口的信息流向分析，可以分為兩種情況:一是數控裝置從I/O口輸出指令，控制PLC完成相應的動作；另一種是檢測PLC輸入口的開關狀態(tài)，數控裝置的I/O口是輸入信號，數控裝置根據輸入信號的性質做出相應的控制。2.2 數控車床中PLC的功能2.2.1 PLC對輔助功能的處理 目前，數控機床程序中，有關機床坐標系約定、準備功能、輔助功能、刀具功能及程序格式等方面己趨于統一，形成了統一的標準，即所謂的CNC機床ISO代碼。歸納起來有4種功能:一種

14、是準備功能，即所謂的G代碼；第二種是輔助功能，即所謂的M代碼；第三種是刀具功能，即所謂的T代碼；第四種是轉速功能即所謂的S代碼。其中，G功能主要與聯動坐標軸驅動有關，是通過CPU控制數控裝置的I/0接口實現；M功能主要控制機床強電部分，包括主軸換向、冷卻液開關等功能；T功能與刀具的選擇和補償有關。 M功能的處理M指令主要有M02 (程序停止) 、M03 (主軸順時針旋轉) 、M04 (主軸逆時針旋轉)、M05 ( 主軸停止) 、M06 ( 準備換刀) 等。其中一部分是由數控系統本身的硬件和軟件來實現,還有一部分需要數控裝置與PLC 相結合來實現。 T功能的處理在PLC上實現的主要是刀具選擇。當

15、遇到包含某個刀具編碼的換刀指令時, 對應的數控裝置I/O口變成高電平,數控系統將T代碼指令送給PLC，PLC經過譯碼指令進行譯碼后，檢索刀號，然后控制換刀裝置進行換刀。 S功能的處理S功能主要完成對主軸轉速的控制,常用的有代碼法和直接指定法。代碼法是S后面跟二位數字,這些數字不直接表示主軸轉速的大小,而是機床主軸轉速數列的序號；直接指定法是S后面直接就是主軸轉速的大小,例如S1500 表示主軸轉速是1500 r/min。2.2.2 PLC的控制對象數控系統可以分為兩部分：控制伺服電動機和主軸電機動作的系統部分NC 和控制輔助電氣部分的PLC。數控機床PLC主要完成數控機床的順序控制，包括對NC

16、、機床及操作面板傳來的信號進行處理，實施急停及超程信號的監(jiān)控，并且完成對主軸、刀架、冷卻、潤滑等功能的控制。 操作信號處理接收操作面板上的信號和NC部分傳來的數控信號以控制數控系統的運行。 主軸控制控制主軸的啟動、停止及正反轉。 坐標軸控制控制坐標軸的伺服驅動及限位開關等。 換刀控制實現對程序換刀的控制。 冷卻控制實現程序控制冷卻的啟動、停止。 潤滑控制 實現定時潤滑的控制。2.3 用PLC實現車床電氣控制系統的功能從本質來講，基于PLC 的機床電氣控制系統對機床的控制思路仍然與繼電器-接觸器控制系統是一致的。只是在控制手段上采用了先進的控制設備。PLC 控制系統其優(yōu)點在于根據加工工藝要求的不

17、同相應的修改程序就可以實現。車床電氣控制系統屬于廣泛的應用系統，不針對特殊的加工工藝，因此PLC 內部的程序只需要相對每個控制按鈕發(fā)出的信號，做出相應的動作即可。通過PLC 來實現車床電氣控制系統的各項功能，需要將各種控制和檢測信號通過按鈕和檢測元件輸入PLC，再通過PLC 內部程序的運算將結果輸出到各種執(zhí)行設備，完成電氣控制系統對于車床的控制。每個功能的輸入信號，都可以通過控制面板上的按鈕進行操作，輸出則可以通過接觸器、電磁閥等執(zhí)行機構完成。基于PLC 的車床電氣控制系統功能分解如圖2-1。X軸Z軸起停PLC接觸器 電動刀架接觸器主軸起停調速冷卻液起停夾具松開夾緊換刀按鈕指示燈變頻器 圖2-

18、1 PLC 車床控制系統分解圖2.4 利用PLC代替繼電器-接觸器控制方式的優(yōu)越性 可維護性好 采用PLC進行控制后, 由于采用了專用芯片及集成電路，提高了集成度，減少了元器件數量，機床控制電路的接線量大為減少，故障率大大降低?？删S護性好，基本上無需維護。 可靠性高 PLC的平均無故障工作時間高達300000 h（約34.2年），所以其可靠性高。而采用繼電器-接觸器控制機床的控制則因為存在大量機械觸點，工作電壓和工作電流較大，可靠性較差。 提高機床柔性 當機床加工程序發(fā)生變化時,只需要修改PLC的程序就可以進行新的加工,更改較方便,機床的柔性很好。 效價比高 交流接觸器的額定壽命約為80016

19、00h，遠低于PLC，再考慮到因更換壞掉的接觸器所耽誤的工時，從經濟性的角度來看，用PLC也是很合算的（PLC價格與I/O點數成正比，而機床所要用的I/O點數并不多）。 可聯網通信 由于PLC具有通信功能,采用可編程控制器進行機床改造后,可以與其它智能設備聯網通信,在今后的進一步技術改造升級中,可根據需要聯入工廠自動化網絡中，提高工廠自動化水平。第3章 CK9930數控車床電氣控制分析數控車床主要用于軸類、盤類零件的加工,能自動完成外圍柱面、內孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細加工,并能在圓柱面或端面上進行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作,可以實現回轉體零件在預先加工好定位基面后,一次裝夾下完成從毛坯到

20、成品的全部工序. 因此,能夠極大地提高生產率。3.1 車床主要結構和運動形式CK9930數控車床是為兩軸車床。床身最大工件回轉直徑300mm，最大工件長度500mm，刀架上最大工件回轉直徑140mm，外型尺寸1100 mm×580 mm×580 mm。其結構主要有床身、主軸變速箱、床鞍、卡盤、刀架、絲杠和尾架等組成。其中，床身是一個整體的鑄件。刀架通過床鞍安置在床身的導軌上。CK9930數控車床的運動形式有： 主運動：工件的旋轉運動，是主軸通過卡盤帶動工件旋轉的運動形式。 進給運動：刀架的橫向或縱向的直線運動。3.2 車床對電氣控制的要求車床工藝范圍廣，因而它的調速范圍大、

21、運動多。其對電氣控制的要求有：為適應各種工件加工工藝的要求，主軸應能在一定范圍內調速，采用交流電動機驅動的齒輪變速系統。由于采用齒輪變速，為防止出現頂齒現象，要求主軸系統變速時作低速斷續(xù)沖動。要求主軸能夠實現正反轉。電路應有必要的保護和聯鎖的措施。3.3 車床的電氣控制電路分析CK9930數控車床的電氣原理圖如圖3-1所示。 圖3-1 CK9930數控車床電氣原理圖 3.3.1 主電路分析將三相電源經空氣斷路器Q1和Q2引入，單相電容運轉主軸電動機M1用接觸器KM3和KM4形成的互鎖電路控制正反轉。變壓器T1為X軸、Z軸步進電機驅動器提供AC55V供電電源；變壓器T2為強電控制電路提供AC22

22、0V電源；變壓器T3和整流電路為弱電控制電路和主控電路板提供DC24V供電電源。3.3.2控制電路分析（1）啟動過程啟動時，合上Q1，引入三相電源。按下啟動按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電吸合，則KM1的主觸頭閉合，電動機接通電源直接啟動運行。與此同時，在超程解除（X33）有效狀況下閉合繼電器RA2，且使X31有效（控制器收到主電路接通信號），則繼電器RA1通電，RA1的觸點閉合，接觸器KM2線圈通電吸合，KM2的主觸頭閉合，為步進電機驅動器供電，且主軸電機也通電。在控制面板上采用的是旋鈕開關，撥到“開” 的位置后能一直保持接通狀態(tài)，從而使得KM1能夠持續(xù)閉合，為控制電路供電。（2）主軸正反轉

23、 該車床采用兩個接觸器KM3和KM4來實現對電動機的正、反轉控制。在電路中，為了防止兩個接觸器同時動作而造成短路，將實現正、反轉的KM3和KM4進行互鎖。所以，電動機的正反轉控制電路實際上是由互鎖的兩個方向相反的單向運行線路組成的。其具體的控制過程如下：繼電器RA3閉合，RA3常閉觸點斷開。1、接觸器KM3閉合，KM4由互鎖電路斷開（即使RA4誤動作也不會閉合），主軸電機正轉。2、繼電器RA4閉合，RA4常閉觸點斷開。3、接觸器KM4閉合，KM3由互鎖電路斷開（即使RA4誤動作也不會閉合），主軸電機反轉。正如上面所指出的那樣，在該正反轉控制電路中，兩個接觸器的常閉觸頭KM3和KM4互鎖。所以在

24、進行電動機的換向操作時，必須先按下停止按鈕才能反向啟動。（3）停止過程按下急停按鈕SB1，則繼電器RA2斷電，RA2的輔助觸點斷開，從而使得與之串聯在一起的繼電器RA1斷電，RA1的輔助觸點斷開。與RA1的觸點串聯的接觸器KM2線圈斷電，同時接觸器KM1的觸頭也斷開。KM2線圈斷電使步進電機斷電。KM2的觸頭也會隨KM2線圈的斷電而斷開，則主軸控制電路斷電。KM1觸頭的斷開也會使控制電路斷電。另外，若是行程開關接通，也會使繼電器RA2斷電，同理，整個控制電路也將會斷電。補充：若為按下急停，X30有效，單片機控制電路無法正常啟動；若為行程開關接通（206為高電平），X30無效，單片機控制電路可以

25、正常啟動，認知超程錯誤。第4章 PLC程序設計方法4.1 PLC的編程語言國際電工委員會（IEC）于1994年5月公布了可編程序控制器語言標準(IEC61131-3),詳細地說明了句法、語義和下述5種編程語言： 順序功能圖； 梯形圖； 功能塊圖； 指令表； 結構文本。該標準中有兩種圖形語言梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD），還有兩種文字語言指令表（IL）和結構文本（ST），順序功能圖（SFC）是一種結構塊控制程序流程圖。8其中，梯形圖是使用的最多的圖形編程語言，有PLC第一編程語言之稱。梯形圖采用類似于繼電器觸點、線圈的圖形符號，容易理解和掌握。梯形圖常被稱為程序，梯形圖的設計稱為編程。梯形圖

26、也很適合于開關量邏輯控制。本文也采用梯形圖進行程序的編制。4.2 PLC程序設計步驟圖4-1所示為PLC控制系統設計與調試的一般步驟。-0圖4-1 PLC控制系統設計與調試的一般步驟4.3 PLC程序的模塊化設計由于車床的操作過程復雜，機加工控制對象每一工作循環(huán)周期的控制關系比較復雜，因此，如果將各種控制程序“混合”在一起設計，則各程序間必然會相互“牽連”，從而使設計的難度成倍增大。為此作者決定在PLC用戶程序程序設計中，采用模塊化設計思想，即對系統按照控制功能進行模塊劃分，將不同功能的程序放在不同的模塊中設計，依次對各控制功能的模塊設計梯形圖。這樣，使得每一部分的程序都可以單獨設計和修改，也

27、就是說設計和修改某一部分程序時，不必擔心會對另一部分程序造成影響。程序結構清晰，便于調試，還可以根據需要靈活增加其他控制功能。本次設計中，綜合車床的特點，在開發(fā)該機床的PLC控制程序的過程中將PLC程序劃分為7個模塊，即公用程序模塊、主軸模塊、坐標軸控制模塊、潤滑控制模塊、自動換刀模塊、報警模塊和冷卻控制模塊。 4.4 輸入輸出分配接下來就是編制I/O分配表。I/O分配表是設計梯形圖程序的基礎資料之一，也是設計PLC控制系統時必須首先完成的工作，會給PLC系統軟件設計和系統調試帶來很多方便。在編制I/O分配表時，同類型的輸入點或輸出點盡量集中在一起,連續(xù)分配。本次程序開發(fā)所用I/O分配見表4-

28、1所示。 表4-1 輸入輸出設備與PLC輸入輸出端子分配一覽表 輸入端 輸出端輸入設備 輸入端子 輸 出 輸出端子旋鈕開關 I1.0I1.3 循環(huán)啟動 Q0.0 循環(huán)啟動按鈕 I1.4 進給保持 Q0.1進給保持按鈕 I1.5 單 段 Q0.2單段按鈕 I1.6 機床鎖住 Q0.3機床鎖住按鈕 I1.7 快 進 Q0.4 主軸正轉按鈕 I2.0 主軸正轉 Q0.5主軸反轉按鈕 I2.1 主軸反轉 Q0.6主軸停按鈕 I2.2 主軸停 Q0.7X向退按鈕 I2.3 X向退 Q1.0 X向進按鈕 I2.4 X向進 Q1.1Z向退按鈕 I2.5 Z向退 Q1.2Z向進按鈕 I2.6 Z向進 Q1.3

29、快進按鈕 I2.7 NC報警 Q1.4急停按鈕 I3.0 超程報警 Q1.5超程解除按鈕 I3.3 X回參考點 Q1.6Z正向行程開關 I3.4 Z回參考點 Q1.7Z反向行程開關 I3.5 進行潤滑 Q2.0 X正向行程開關 I3.6 潤滑故障報警 Q2.1X反向行程開關 I3.7 換刀完成 Q2.2 冷卻開按鈕 I4.0 刀架正轉 Q2.3 冷卻關按鈕 I4.1 驅動指示 Q2.4潤滑電機起動按鈕 I4.2 冷卻開 Q2.5 潤滑油路壓力繼電器 I4.3 X軸驅動使能 Q2.614號刀到位 I4.4I4.7 Z軸驅動使能 Q2.7 換刀按鈕 I5.0 4.5 梯形圖程序設計在本次程序開發(fā)過

30、程中采用的是FXGP_WIN-C編程軟件。FXGP_WIN-C是在Windows操作系統下運行的FX系列PLC的專用編程軟件，操作界面簡單方便，在該軟件中可通過梯形圖、指令表及SFC 符號來編寫PLC程序。創(chuàng)建的程序可在串行系統中與PLC進行通訊、文件傳送、操作監(jiān)控以及完成各種測試功能。4.5.1 梯形圖總體框圖圖 4-2 所示為該控制系統的PLC梯形圖程序的總體結構，將程序分為公用程序、回原點程序、主軸控制程序、坐標軸控制程序、報警處理程序、定時潤滑控制程序、冷卻程序、自動換刀控制程序八個部分。公用程序回原點程序主軸控制程序坐標軸控制報警處理程序定時潤滑控制冷卻程序自動換刀控制 圖 4-2

31、PLC程序總體結構最大限度地滿足被控對象的控制要求，是PLC應用程序設計的一大原則。在構思出這個程序主體的框架后，接下來就是以它為主線，逐一編寫各子程序。4.5.2 公用程序公用程序如圖 4-3 所示。圖 4-3 公用程序4.5.3 回原點程序在正式進行數控加工之前，刀架應當先回零，回零之后刀架在機床坐標系中的位置就定下來了。 圖4-4 回原點控制梯形圖圖4-4 所示為刀架自動回原點的梯形圖。 撥開回原點起動按鈕X12，M14變?yōu)镺N, 刀架開始向X和Z兩個方向退，退到X正向行程開關時X36為ON，刀架向Z方向退，到Z向限位處時，X34變?yōu)镺N, Z方向也停止并將M14復位。這時原點條件滿足，

32、M0為ON，在公用程序中，初始步M0被置位，為以后的工作做好了準備。4.5.4 主軸控制程序數控機床主軸控制包括主軸正反轉控制和主軸停轉控制等。圖4-5 主軸控制流程圖 圖4-6 主軸控制梯形圖在梯形圖中，主軸正、反轉之間有邏輯互鎖關系，以免控制功能切換時發(fā)生故障。除此之外，必須采用PLC內部的時間繼電器進行延時控制，否則會造成正、反轉接觸器同時接通而引起電源短路。這是因為PLC執(zhí)行程序的速度要比接觸器動作速度快得多。程序中用定時器T0和T1來完成5s的轉換延時。另外，還利用PLC內部的輔助繼電器M03和M04作為正反轉控制的輔助繼電器。4.5.5 坐標軸控制程序坐標軸控制設計的核心是圍繞坐標

33、軸驅動允許而展開的 10。它包括超程、驅動故障、坐標軸緊停、坐標軸正常停止等的控制。一方面為PLC給出坐標軸可以運動的信號，另一方面又控制著電機運行。對驅動器使能、監(jiān)控硬限位和參考點碰塊等的控制邏輯為： 限位開關 超程 自保持 復位 驅動故障 驅動允許 超程 驅動允許 緊停 軸停圖4.7 坐標軸控制邏輯設計 圖4-8 坐標軸控制梯形圖 圖4-9 一種可能的坐標軸運動流程圖4.5.6 報警處理程序在PLC 控制系統發(fā)生事故、故障時都應發(fā)出報警信號,一般是聲光報警信號。此處用PLC基本邏輯指令實現報警功能,其梯形圖如圖4.10 所示。 圖4-10 報警控制梯形圖當反向行程開關X35、X37被碰到時

34、，繼存器M13接通。同時，特殊繼存器M8013周期性的通斷，與之相連的報警指示燈閃爍，當按下“超程解除” 按鈕X33，繼存器M12接通，報警指示燈熄滅。另外，當反向行程開關接通報警后，將會控制整個機床停止運動。說明：行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。將行程開關安裝在預先安排的位置，當運動部件上的擋塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現電路的切換。4.5.7 定時潤滑控制程序對于機床潤滑系統的改造可加裝潤滑泵，通過設定潤滑時間的方法進行，這樣可降低手工潤滑的勞動強度，提高設備可靠性。正常情況下按規(guī)定的時間間隔周期性自動啟動，每次按給定時間潤滑。潤滑系統的控制過程如下：在

35、正常工作時，按下潤滑電機起動按鈕后，系統即開始進行潤滑，運行10秒后停止，停止30分鐘后重新開始進行潤滑，如此循環(huán)往復下去。同時，PLC還對潤滑系統的狀態(tài)進行監(jiān)測。PLC在潤滑系統開始進行潤滑后即通過潤滑油路壓力繼電器檢查潤滑油路中潤滑油的流動是否正常，若壓力繼電器一直閉合，說明油路有堵塞。潤滑的5秒定時時間到了之后，開始30分鐘的間隔，此時如果油路中還有油，說明油路有泄露。在這兩種情況下，PLC都會報警，潤滑就會停止。定時潤滑的控制流程如圖4-11。啟動潤滑 進入潤滑狀態(tài)管路中有 油？ 否 是計時10秒后停止?jié)櫥Ｖ節(jié)櫥笥嫊r30分鐘停止?jié)櫥?0分鐘內管路中無油？ 是 否潤 滑 報 警 圖4

36、-11 定時潤滑控制流程圖使用FXGP_WIN-C軟件編寫的梯形圖程序如圖4.12。 圖4-12 潤滑控制梯形圖4.5.8 冷卻程序冷卻是根據加工任務來選用的，通過操作面板上的冷卻啟動和停止按鈕來進行控制。在急停生效時，冷卻輸出禁止。 圖4-13 冷卻控制梯形圖4.5.9 自動換刀控制程序數控機床要求能夠準確、快速地換刀。為提高換刀的效率和定位精度，滿足在一次裝夾下完成多工序加工的需要，采用電動刀架替換原有的手動刀架。電動刀架可實現刀架的自動回轉和自動換刀，因而可提高加工效率和刀具的重復定位精度。此處選擇結構簡單、體積小、剛性好、價格便宜的四刀位電動刀架。另外，采用電動刀架,也可使機械結構簡單

37、,省去大量液壓管路。選用自動轉位電動刀架，刀架上同時安裝四把不同的車刀，可在一個工序中依次用四把車刀自動完成幾個表面的加工。這對于加工形狀復雜、加工表面較多、相對位置精度要求較高的零件是特別適宜的。發(fā)出換刀指令自動換刀的控制流程如圖4.14。 T0D6T1D5D5 = D6 ?換刀完成 是 D5 D6 ? 否 是 否D5D64 D8D5D6 D8刀架正轉計數器計數換刀完成圖4-14 自動換刀控制流程圖該控制的設計充分利用了PLC具有豐富的數據功能指令的優(yōu)點，用數據指令來進行判斷比較。假設T0是實際刀號,T1為待換刀號。數據寄存器D6存放實際刀號，D5存放待換刀號。D7存放待換刀號與實際刀號的差

38、值。用比較指令CMP進行數據比較。比較結果使M17，M18，M19中的一個接通。當D5大于D6時，M17接通；D5等于D6時，M18接通；D5小于D6時，M19接通。在程序中首先對D5和D6中存放的值進行比較，判斷是否到位。當D5D6時，表示刀號相符；當D5D6時，將D5D6的值存放到D8中，當D5D6時，將D5D64的值存放到D8中。D8中存放的是旋轉刀位數，將它作為計數器的計數值，由計數器對轉過的刀位進行計數，當計數值到，表示換刀結束。 圖4-15 自動換刀控制梯形圖4.5.10 需要說明的問題一般而言，PLC應用程序通常還應包括初始化程序，用來將計數器進行清零、對某些輸出量置位或復位等，

39、以防止系統發(fā)生誤動作。考慮到本控制系統中各模塊之間差異較大，沒有專門編制這一子程序，而是將這些內容穿插在相關的子程序中。4.6 梯形圖程序的調試調試是PLC控制程序開發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)。所編寫的用戶程序在實驗室進行了模擬調試，實際的輸入信號用按鈕來模擬，各輸出量的通/斷狀態(tài)則用有關的發(fā)光二極管來顯示。在適當的時候用開關或按鈕來模擬實際的反饋信號，如限位開關的接通和斷開。通過調試，確實發(fā)現了一些關鍵的問題，有的是對于某些指令的含義的理解存在偏差，有的是程序的結構設計不合理，還有則是對于程序在實際執(zhí)行中可能出現的問題考慮不周。對于調試中出現的問題逐一進行了排除,其中的部分程序更是“從頭再來”，

40、采取新的邏輯關系重新進行設計，經過不斷的調整和完善，調試中所發(fā)現的問題都得到了解決。從上述過程可以看出，程序設計完成后，調試是檢驗其正確性的必要手段。在調試中，對所遇到的各類問題予以處理解決，不僅對程序設計進行了檢驗修正，同時還可從實際運行中改進、優(yōu)化、完善整個程序的設計工作?？傊ㄟ^調試這個環(huán)節(jié)，進一步提高了程序的正確性和可靠性，也使自己對于某些指令的理解更加全面，并且學到了一些難得的程序設計經驗。4.7 本章小結PLC 作為先進的自動控制裝置，可以應用于多種自動化控制系統中。在車床電氣控制系統中的應用，屬于PLC 的一種典型控制。系統的設計過程也是PLC 控制系統設計思想的典型應用。 在

41、這一章中，采用模塊化設計思想，分八個模塊詳盡地展示了PLC控制程序的開發(fā)過程。各模塊的程序設計方法也是各不相同的，PLC控制程序設計中的經驗設計法、順序設計法和繼電器控制線路移植法這三種常用方法都根據不同情況有所采用。 程序編寫完以后，通過調試，除了可以判斷程序的正誤外，還能在實踐中進一步提高程序的正確性和可靠性。第5章 調試程序首先用step7-Micro/Win軟件將數控機床PLC程序導出，文件的擴展名自動變?yōu)?awl格式，進入仿真軟件界面，輸入密碼，雙擊CPU，在下拉菜單中選擇CPU226，將導出的電梯程序載入S7-200 simulator仿真軟件，點擊運行按鈕，仿真開始。按下SQ0和

42、SQ1時 ，觀察仿真器變化：當同時打開SQ0-SQ3時看仿真器是否發(fā)生變化： 結 論實現機床數控化是我國當前正在機械行業(yè)進行的一項大的信息化工程，這對于提升我國工業(yè)裝備水平有著重要的意義。所以開展此類有關機床改造的技術方案的研究從而切實有效地推進這項工程，很有意義。（1）本文完成的主要工作本人在基于CK9930的PLC控制程序的開發(fā)中完成了以下工作： 以機床為典型對象，深入了解了電氣自動控制技術的基本原理、方法和 應用，并重點分析了該車床的電氣控制電路，熟悉了被控對象的工作原理。 比較系統地學習了PLC的工作原理、特點及控制系統的設計方法。 利用西門子完成了PLC控制程序的開發(fā)以代替原繼電器-接觸器控 制方式。 為了進一步完善控制系統，在保留原有控制功能基礎上，增加了自動換刀、定時潤滑等功能。 完成了程序的修改、調試、運行等工作。 了解了機床數控改造的相關知識。機床的電氣控制系統經過改造后，在保留原有控制功能基礎上，提高了整個控制系統的穩(wěn)定性和可維護性，對機械性能良好而電氣