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1、可编程控制器PLC的控制及设计1.1 PLC的基本结构及工作原理PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量:它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可将PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。1.1.1 PLC控制系统组成(1)
2、输入部分:如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号来自操作台上的人工指令。(2)控制部分Z反复执行根据被控对象的实际控制要求所编制的用户程序，并产生各种输出控制信号。(3)输出部分z如接触器、电磁阀等，它们直接与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。1.1.2 PLC工作过程分三段进行(1)输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态(输入信号)读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映象寄存器的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读
3、取输入状态。(2)程序控制:在程序执行阶段，PLC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映象寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执行结果写入有关物出映象寄存器中。(3 )输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际物出并有输出端子送出。1.2 PLC与CNC机床的联接方式CNC数控系统的控制信号有两类:一类是高速信号,主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关t，低速信号的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性
4、高，柔性好等特点，而且随粉可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC, FMS系统中的应用有不断上升的趋势。目前，数控机床PLC的形式有两种:一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC, PLC在CPU外部，称为外装型PLC;第二种是采用数控氛统与PLC合用一个CPU的方法.PLC在CPU内部，称为内装型PLC. FANUC数控系统采用内装型PLC。可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，系统I/0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通过CNC数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、
5、伺服电机等，可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装里1/0口的联接可归纳为三部分。1.2.1 PLC输入输出端与机床面板信号联接FANUC机床操作面板有多达39个自定义键。面板与系统采用光纤连接。结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连，指示灯接线直按与PLC输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。1.2.2 PLC输出端与机床强电信号联接PLC在CNC机床中
6、的主要作用是控制强电部分.如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出瑞都接有保护用继电器。在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性，在接触移线翻电路中加有互锁保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。1.2.3 PLC输入端与CNC机床数控装盆I/O接口的联接可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装I与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC粕入端的通断.以决定PLC输出端的状
7、态.从数控装置I/0口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装!从1/0口输出指令，控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装里的I/0口是输入信号，数控装登根据输入信号的性质做出相应的控制。1.3 CNC加工代码在PLC上的实现方法目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码，在一个加工程序中包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每I个字表示一种功能，归纳起来有1种:一种是准备功能，即所谓的O代码;第二种是辅助功能，即所谓的M代码:第三种是刀具功能，即所谓的T代码
8、:第四种是转速功能即所谓的S代码。根据数控机床性能的不同能执行这1种功能多少的程度也不同。在数控机床内部1种功能中，O功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I/0接口实现;M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能;T功能与刀具的选择和补偿有关。1.3.1 T功能代码的实现方法T功能代码包含两部分，一是刀具选择;二是刀具位里补偿.在PLC上实现的是第1部分功能:刀具选择。换刀过程如下:运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装里I/0口变为商电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干赞管触点开关接通后换刀电机反转，使刀架下落压紧，
9、当压紧力足够大时，徽动开关接通，换刀电机停止运转。1.3.2 M功能代码实现方法ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控机床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控机床都具有一些荃本的辅助功能，如M00程序停止)，M03(主轴正转)，M05(主轴停止)等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装2与PLC相结合来完成，如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装21/0接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC愉出端的状态.进而完成M功能，1.1 P LC程序的模块化设计1.1.1模块的划分
10、一个应用程序包括一套在PLCTOOL编程工具下产生的模块。把它装入NC去控制相应的系统，本次设计中，我们利用PLCTOOL软件，综合管子车床的特点，开发了该机床的PLC控制程序。将PLC程序划分为5个模块，即公共信号模块、荃本控制模块、刀架模块、主轴模块、报警模块。(1)公共信号模块:主要处理PLC与NC之间的接口信号。(2)荃本控制模块:主要用来处理紧急停止、润滑、冷却、方式选择、手动进给、程序启停等信号。(3)刀架模块:用于对转塔刀架的选刀、定位等过程进行逻辑控制。(1)主制模块:对主轴正反转、主轴定向、主轴变速等动作过程进行控制。模块中包括伺服主轴和变频主轴两种控制逻辑，可通过修改PLC
11、参数进行切换。(5)报等模块:对机床故陈误操作等状态进行监测并触发相应的报誉文本信息同时产生各种安全互锁信号，防止对机床或人身造成伤害。以上5个模块的功能可通过1个主程序和12个子程序完成，主程序主要完成系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。程序结构如表1-1：表11程序结构如表 名称文件名任务模块主程序MAIN.XIA%TSO初始化INIT.XLA%INI子程序急停JITING.XLA%SP1冷却LENGQUE.XLA%SP2导轨润滑DGRUNHUA.XLA%SP1主轴SPINDLE.XLA%SP6伺服SERVO.XLA%SP8刀架DAOJIA.XLA%SP10手动J.XLA
12、%SP11方式MODE.XLA%SP16M01功能M01.XLA%SP18跳步SKIP.XLA%SP20轴记忆ZJIYI.XLA%SP21报警ALARM.XLA%SP261.1.2模块的构成每个模块都分为输入部分、主体逻辑部分和输出部分，输入部分将输入信号的物理地址转化为PLC的中可逻辑地址，以保持主体逻辑部分相对于翰入地址的独立性，主体逻辑部分是模块的主要构成部分，完成控制过程的逻辑和算术运算。并将运算结果暂存于中间逻辑地址。输出部分有两个作用:一是将主体逻辑部分的运算结果传送给输出信号的物理地址，实现机床各功能部件的动作，并保持主体逻辑部分相对于输出地址的独立性;二是向其它模块提供接口信号
13、，以实现各种顺序或连锁控制功能。1.5变量说明交换规则 :自动控制功能和NC功能之间的交换是通过一个双方功能指令都能存取的存储器空间作为数据交换区来实现的。数据的交换不需要经过输入输出卡，而是山自动控制功能直接进行的。这里所说的输入和输出是相对于自动控制功能定义的，输入是由自动控制功能读的一个变t，而输出是由自动控制功能写的一个变量。变量可分为:内部变量、端子板输入输出变量、配置和诊断变量、CNC接口变量、公共字变量以及局部变量。本次设计所编制的梯形图程序所用变量有内部变量、端子板输入输出变量、CNC接口变量。详细如表1-2:表12输入/输出(I/O)卡接口变量 输入点变量说明变量说明%I50
14、0.1+X限位%I501.1四号刀位%I500.2-X限位%I501.5刀架正位%I500.3+Z限位%I502.0主轴电源无故障%I500.1-Z限位%I502.1主轴伺服准备好%I500.5X参考-15%I502.2主轴转速过低%I500.6Z参考点%I502.3伺服电源准备好%I500.7C参考点%I502.1X轴模块准备好%I501.0急停%I502.5Z轴模块准备好%I501.1一号刀位%I502.6PLC无故障%I501.2二号刀位%I502.7低泊位%I501.3三号刀位%I503.0一般故障输出点变量说明变量说明%Q500.0PLC准备好%Q501.2主轴伺服电源%Q500.1
15、C轴参考点%Q501.3伺服电源%Q500.2X轴使能%Q501.1主轴风扇%Q500.3Z和！1使能%Q501.5润滑电机%Q500.1CNC故障%Q501.6冷却%Q500.5一般故障%Q501.7手动润滑%Q500.6主轴报警%Q502.0刀架正转%Q500.7伺服报警%Q502.1刀架反转%Q501.0限位报警%Q502.2主轴电源使能%Q501.1低泊位显示 NC输入/输出变量变量记忆符说明%R2.6E-SLASH程序段跳过使能%R3.0E-RAZCNC复位在进行中%R3.1E-ARUS循环停止%R3.2E-CYCLE循环在进行中%R3.3E-RAX轴运动恢复%R3.1E-DGURG
16、紧急返回%R5.0E-CNPRETCNC准备好%R15.BE-INCJOG*08手轮进给%R16.BMODCOUR=0自动1单段2输入3空运行6试验7手动方式%W3.1C-ARUS加工停请求%W3.2C-CYCLE发出循环脉冲%W3.3C-RAX轴恢复选择%W3.1C-DGURG紧急返回请求%W3.6C-SLASH程序段跳过使能%W3.7C-M01选择停使能%W1.0AUTAV允许在所有轴组上进给%W1.3NARFIB程序结束时不停止运行%W5.1MODEPUP操作方式选择%W11.BMODEDEM=0自动1单段2输入3空运行6试验7手动方式 1.6梯形图程序实例1.6.1 主程序TSO-模块
17、1主程序主要完成一组进给授权、一组使能、选择轴、读入进给倍率及主轴倍率、从CNC中读出主轴参考速度等系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。1.6.2程序启停子程序SP12-模块2图1-1 程序起停控制梯形图当按下CYCLE START键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，发出循环脉冲，CYCLE=1,当循环灯没亮，且循环在进行时，CYCLE START灯亮。当按下CYCLE STOP键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，则发出加工停请求，CARVS=1;当循环停显示，则循环停止。1.6.3自动换刀控制程序SP10-模块3刀架有刀架电机驱动，刀具盘上有1个均匀分布的刀具位
18、，程序完成对刀架正(图1-2)、反转及换刀(图1-3)等控制。图1-2 刀架正转梯形图图1-3 换刀梯形图1.6.1报誉控制程序SP21-模块1报警等控制程序主要有CNC状态报警、一般故障报警、低油位报警、伺服报警、主轴报警等(图1-1)。图1-1 CNC状态报警梯形图1.6.5主轴控制程序SP6-模块5主轴控制主要包括对主轴正反转、主轴风扇、主轴使能等的控制(图1-5)。图1-5 主轴正反转控制梯形图 G代码表指令名功 能指令名功 能G00定位（快速移动）G70精加工循环G01直线插补（切削进给）G71内外圆粗车复合循环G02顺时针圆弧插补（后刀座）G72端面粗车复合循环G03逆时针圆弧插补（后刀座）G73封闭切削复合循环G01暂停、准停G71轴向切槽循环G28返回机械零点G75径向切槽循环G32螺纹切削G76螺纹切削复合循环G33攻丝循环G90内外圆切削循环G31变螺距螺纹切削G92螺纹切削循环G10取消刀尖半径补偿G91端面切削循环G11刀尖半径左补偿（后刀座）G96恒线速控制G12刀尖半径右补偿（后刀座）G97恒转速控制G50坐标系设定G98每分进给G65宏指令G99每转进给