数控控制系统中PLC的应用.docx

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1、PLC在数控机床上的应用专 业班 级 机电设备0902姓 名李光磊学 号3指导教师姜老师目前，可编程控制器(PLQ广泛应用于数控机床等工业控制中。 数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分，数字控制部 分包括对各坐标轴位置的连续控制，而顺序控制包括对主轴正/反转 和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动 作的控制。现代数控机床采用 PLC代替继电器控制来完成逻辑控制， 使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高！可编程控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操 作的电子系统，它采用一种可编程程序的存储器，在其内部存储执行 逻辑算、顺序控制、定

2、时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字 式、模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备和生产过程。组合机床是针对特定工件，进行特定加工而设计的一种高效率白动化专用 加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有白动循环的功能。 组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成， 动力部件采 用电动机驱动或采用液压系统驱动，由电气系统进行工作白动循环的 控制，是典型的机电或机电液一体化的白动加工设备。关键词：可编程控制器数字控制顺序控制操作指令数控机 床白动循环第1章绪论1.1数控机床概述数控机床是数字控制机床( Computer numerical control machine tools

3、)的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般 为普通机床的35倍）；机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。2数控机床组成结构及工作过程本例数

4、控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组成，如图 1所示o控材面板蛾A蛾出设备图5数控机床组成结构图图2数控机床组成机构图输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期, 输入装置为穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、磁盘等，大 大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数（含机床正常、理 想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在机床刚工作状 态需输出这些参数作记录保存，待工作一段时间后，再将输出与原始 资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。数控装置是 数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终

5、实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口 电路、CRT显示器等硬件及相应的软件。可编程控制器对主轴单元 实现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速 ；管理刀库, 进行白动刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及 刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、 卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；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（刀库、机械手、回转工 作台等）进行控制。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主 要是检测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保 证数控机床加工精度。数控机床的工

6、作过程如图2所示。TI busru0:.comi-祐 果IIJJ31图2数控机床的工作过程框图数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分 析、工艺方案的制订、加工程序编制、选用工装及使用方法等。机床 的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀位、 机床各部位状态等多项工作内容。程序调试主要是对程序本身的逻辑 问题及其设计合理性进行检查和调整。试切加工则是对零件加工设计 方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果评价 后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工 后的零件进行结果检测。前三步工作均为待机时间，为提高工作效率， 希望待机

7、时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直接影响 对机床利用率的评价(即机床实动率)。1.4何谓PLC,PLC有何组成、特点LC就是人们所说的可编程控制器PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与 微型计算机相同，基本构成为：a电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系 统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十 分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不米取其它 措施而将PLC直接连接到交流电网上去b.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予 的功能

8、接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。 当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状 态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读 取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结 果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后， 最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用 三CPU的表决式系统。这样，即使某个 CPU

9、出现故障，整个系统仍 能正常运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路1.现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2.现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路 集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应 的控制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。f、通信模块如以太网plc具有以下鲜明的特点。（1）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的 PID回路控制；并能与上 位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS

10、等，实现生产过程的综 合白动化。（2）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短， 现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。 （3）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于 其他各种机型一、PLC的工作原理PLC的工作过程分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（一）输入采样阶段PLC首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新

11、。接着进入程序执行阶段，此时输入影响寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化， 其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。（二）程序执行阶段根据PLC梯形图程序“先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件 （“软继电器”）的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而变化。（三）输出

12、刷新阶段在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通 /断开）在输 出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。3章PLC编程技术PLC的编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言， 也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写，又要满足易于调试的要求。目前， 还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语 言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC,其编程语言都具有一些共同的特点：3. 1 . 1语言特点1. 图形式指令结构：程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆

13、。系统的软 件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需 要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有的厂家都采 用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程 图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的 算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给于表示，虽然象征性不如 逻辑运算部分，也受用户欢迎。2. 明确的变量常数：图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填人，如：K400 , T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确规定，由产品型号决定，可查阅产品

14、目录手册。3. 简化的程序结构：PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使 程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。4. 简化应用软件生成过程：使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使 用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。5 .强化调试手段：无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，使用编程器，利用 PLC和编程器上的按键、显示和 内部编辑、调试、监控等，并在软件支持下，诊断和调试操

15、作都很简单。总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备高深的知识、不需要 长时间的专T'qi）1练。3. 1 . 2编程语言的形式PLC最常用的两种编程语言，一是梯形图，二是助记符语言表。采用梯形图编程， 因为它直观易懂，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实 验，因为它只需要一台简易编程器，而不必用昂贵的图形编程器或计算机来编程。虽 然一些高档的PLC还具有与计算机兼容的 c语言、BASIC语言、专用的高级语言（如 西门子公司的 GRAPH5、三菱公司的 MELsAP）,还有用布尔逻辑语言、通用计算机 兼容的汇编语言等。不管怎么样，各厂家的编程语言都只

16、能适用于本厂的产品。1、 编程指令：指令是 PLC被告知要做什么，以及怎样去做的代码或符号。从本 质上讲，指令只是一些二进制代码，这点PLC与普通的计算机是完全相同的。同时 PLC也有编译系统，它可以把一些文字符号或图形符号编译成机器码，所以用户看到的PLC指令一般不是机器码而是文字代码，或图形符号。常用的助记符语句用英文 文字（可用多国文字）的缩写及数字代表各相应指令。常用的图形符号即梯形图，它 类似于电气原理图是符号，易为电气工作人员所接受。2、 指令系统：个 PLC所具有的指令的全体称为该PLC的指令系统。它包含着指令的多少，各指令都能干什么事，代表着PLC的功能和性能。一般讲，功能强、

17、性能好的PLC,其指令系统必然丰富，所能干的事也就多。我们在编程之前必须弄清 PLC的指令系统3、 程序：PLC指令的有序集合，PLC运行它，可进行相应的工作，当然，这 里的程序是指PLC的用户程序。用户程序一般由用户设计，PLC的厂家或代销商不 提供。用语句表达的程序不大直观，可读性差，特别是较复杂的程序，更难读，所以多数程序用梯形图表达。4、 梯形图：梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的 PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两 种：一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指 令组，这个指令组一般总是从装

18、载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控 制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指 令组的。梯形图与助记符的对应关系：助记符指令与梯形图指令有严格的对应关系，而梯形图的连线又可把指令的顺序予以体现。一般讲，其顺序为：先输入，后输出（含其他处理）；先上，后下：先左，后右。有了梯形图就可将其翻译成助记符程序。反 之根据助记符，也可画出与其对应的梯形图。梯形图与电气原理图的关系：如果仅考虑逻辑控制，梯形图与电气原理图也可建 立起一定的对应关系。如梯形图的输出 (OUT)指令，对应于继电器

19、的线圈，而输入 指令(如LD , AND , OR)对应于接点，互锁指令(IL、ILC)可看成总开关，等等。 这样，原有的继电控制逻辑，经转换即可变成梯形图，再进一步转换，即可变成语句 表程序。有了这个对应关系，用 PLC程序代表继电逻辑是很容易的。这也是 PLC技 术对传统继电控制技术的继承。第2章PLC在数控系统中应用的可行性随着科学技术的发展，生产工艺不断提出新的要求，机床电气控 制装置也不断更新。在控制方法上主要从手动控制到白动控制；在控制功能上，是从简单到复杂；在操作上由笨重到轻松，从控制原理上， 由单一的有触点硬接线继电器控制系统转为以微处理器为中心的软 件控制系统。在上世纪的20

20、年代到30年代，借助继电器、接触器、按钮和行 程开关等组成继电器-接触器控制系统，实现对机床的启动、停车、 有级调速等控制。继电器-接触器控制的优点是：结构简单、价格低 廉、维护方便、抗干扰性能力强。因此广泛应用于各类机床和机械设 备。目前，在我国继电器接触器控制仍然是机床和其它机械设备最基 本的电气控制形式之一。继电器-接触器控制系统的缺点是：由于固 定接线形成，故在进行程序控制时，改变控制程序不方便，灵活性差。 故在实际生产中，由于大量存在一些开关量控制的简单程序控制过 程，而实际生产工艺和流程，又是经常变化的。因而传统的继电器-接触器控制系统常常不能满足这种需求。 电子计算机控制系统的出

21、现 提高了电气控制的灵活性和通用性，其控制功能和控制精度都得到很大的提升。然而在其初期，存在着系统复杂、使用不方便、抗干扰能 力差、成本较高等缺陷，尤其对上述简单的过程控制有“大材小用” 和不经济等问题。因而60年代出现了一种能够根据需要，方便的改 变控制系统，而又要比计算机系统结构简单，价格低廉的白动化装置 顺序控制器。它能通过组合逻辑元件插接或变成来实现继电器-接触器控制线路功能的装置，它能满足成组经常改变的控制要求， 使 控制系统具有较大的灵活性和通用性， 但它还是使用硬件手段，装置 体积大，功能也受到了一定的限制。随着大规模集成电路和微处理机技术的发展和应用。上述控制技 术也发生了根本

22、变化。在70年代出现了用软件手段来实现各种控制 功能，以微处理器为核心的新兴工业控制器一一可编程程序控制器(PLQO这种期间完全能够适应恶劣的工业环境，由于它兼备了计算 机控制和继电器-接触器控制两方面的优点，故目前世界各国将其作 为一种标准化通用设备普遍应用于工业控制。3.1数控机床采用PLC电气控制系统的优点数控机床的电气控制理论上讲可以采用继电器接触器电气控制 系统，单片机控制系统和PLC控制系统来实现。但是在实际工程中往 往选择一种经济、有效、性能优越的控制方案，考虑到上述几点，PLC 较适合组合机床的电气控制。PLC单片机、继电器-接触器控制系统 相比具有以下优点：1. PLS继电器

23、-接触器相比较:继电器-接触器控制系统白上世纪二十年代问世以来，一直是机 电控制的主流。由于它的结构简单、使用方便、价格低廉，所以使用 广泛。它的缺点是动作速度慢，可靠性差，采用微电脑技术的可编程 顺序控制器的出现，使得继电接触式控制系统更加逊色。PLC等取代继电接触式控制逻辑。具体如下：(1) 控制逻辑：继电接触式控制系统采用硬接线逻辑，它利用继电器等的触电串 联、并联、串并联，利用时间继电器的延时动作等组合或控制逻辑， 连线复杂、体积大、功耗也大。当一个电气控制系统研制完后，要想 再做修改都要随着现场接线的改动而改动。 特别是想要能够增加一些 逻辑时就更加困难了，这都是硬接线的缘故。所以，

24、继电接触式控制 系统的灵活性和扩展性较差。可编程控制器采用存储逻辑。它除了输入端和输出端要与现场连 线以外，而控制逻辑是以程序的方式存储在 PLC的内存当中。若控制 逻辑复杂时，则程序会长一些，输入输出的连线并不多。若需要对控 制逻辑进行修改时，只要修改程序就行了，而输入输出的连接线改动 不多，并且也容易改动，因此，PLC的灵活性和扩展性强。而且 PLC 是由中大规模集成电路组装成的，因此，功耗小，体积小。(2) 控制速度：继电器接触式控制系统的控制逻辑是依靠触电的动作来实现的， 工作频率低。触点的开闭动作一般是几十毫秒数量级。 而且使用的继 电器越多，反映的速度越慢，还是容易出现触点抖动和触

25、点拉弧问题而可编程控制器是由程序指令控制半导体电路来实现控制的， 速 度相当快。通常，一条用户指令的执行时间在微秒数量级。由于 PLC 内部有严格的同步，不会出现抖动问题，更不会出现触点拉弧问题。(3) 定时控制和计数控制：继电接触式控制系统利用时间继电器的延时动作来进行定时控 制。用时间继电器实现定时控制会出现定时的精度不高，定时时间易 受环境的湿度和温度变化而影响。有些特殊的时间继电器结构复杂， 维护不方便。而可编程程序控制器使用半导体集成电路作为定时器，时基脉冲由晶体震荡器产生，精度相当高并且定时时间长，定时范围广。用户 可以根据需要在程序中设定定时值。PLC根据给定的定时值，由软件 和

26、硬件计数器来控制制定时间，定时精度高、定时时间不受环境的影 响，并且一旦调好，不会变化。并且 PLC可以完成计数功能，而继电 接触系统通常没有计数功能。(4) 设计与施工。使用继电接触式控制系统完成一项控制工程，设计施工，调试必须顺序进行，周期长，而且修改困难而使用PLC来完成一项控制工程。 设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短， 而且调试和修改均很方便。(5) 可靠性和维护性。继电接触式控制系统使用了大量的机械触点，连线也多。触点在开闭时会受到电弧的损坏，寿命短。因而可靠性和维护性差。PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来 完成，可靠性高。PLC还配

27、备了白检和监控功能，能白诊断出白身的 故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况， 为现场调试和维护提供了方便。总之，PLC在性能上均优越于继电接触式控制系统，特别是控制 速度快，可靠性高，设计施工周期短，调试方便，控制逻辑修改方便， 而且体积小，功耗低。2. PLS单片机比较单片机具有结构简单，使用方便，价格比较便宜等优点，一般用 于数据采集和工业控制。但是，单片机不是专门针对工业现场的白动 化控制而设计的，所以它与 PLC比较起来有以下缺点：(1) 单片机不如PLC容易掌握使用单片机来实现白动控制，一般要使用微处理器的汇编语言编 程。这就要求设计人员遇有一定的计算机硬件和

28、软件知识。对于那些只熟悉机电控制的技术人员来说，需要进行相当长一段时间系统地学 习单片机的知识才能掌握。而PLC采用了面向操作者的语言编程，如梯形图状态转移图等， 对于使用者来说，无需了解复杂的计算机知识，而只要用较短时间去 熟悉PLC的简单指令系统及操作方法，就可以使用和编程。(2) 单片机不如PLC使用简单使用单片机来实现白动控制，一般要在输入输出接口上做大量的 工作。例如，要考虑工程现场与单片机的连接，输出带负载能力、接 口的扩展，接口的工作方式等。除了要进行控制程序的设计，还要在 单片机单片机的外围进行很多硬件和软件工作，才能与控制现场连接 起来，调试也较繁琐。而PLC的输入/输出接口

29、已经做好，输入接口可以与无外接电源 的开关直接连接，非常方便。输出接口具有一定的驱动负载能力，能 适应一般的控制要求。而且，在输入接口、输出接口，由光电耦合器 件，使现场的干扰信号不容易进入 PLC(3)单片机不如PLC可靠使用单片机进行工业控制，突出的问题就是抗干扰性能较差。而PLC是专门用于工程现场环境中的白动控制， 在设计和制造过 程中采取了抗干扰性措施，稳定性和可靠性较高。通过上面的比较，针对组合机床的电气控制系统，虽然PLC的价 格高一些，但良好的稳定性和高度的可靠性可确保机床在加工零件时 的精度，所以决定采用PLC控制系统来实现。第3章PLC在数控控制系统中应用的典型案例.永宏FB

30、s系列PLC的NC机床定位伺服控制系统分析数控机床是一种高精度、高效率的白动化设备，提高数控机床的可靠 性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一， 其定 义为:产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对 数 控机床来说，这里的功能主要指 数控机床的使用功能，例如数控机床 的各种机能，伺服性能等。数控机床的功能部件对机床的功能扩展和 性能的提升起着极为重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件 的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有 最佳的匹配性能，而且还能很好地彰显出该 数控机床的个性化特征。用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能力，而是应具备

31、热误 差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、 位置环前馈控制和加减速平稳 控制等先进控制技术的功能。所以必须选择稳定可靠的控制单元才能 保证数控机床正常高效运行。第2张鉴于以上各项要求，采用台湾永宏电机股份有限公司的FBS-44MNPLC作为该机床控制主单元，该型机具有较高的性价比，体积小，使 用起来非常方便，接线简捷。其编程软件WinProladder有梯形图大师 之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按 键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效 率倍增。同时配以人机界面进行程序参数修改、 设定以及运行状态显 示监控，可编程设置人机界面的内容。该控制系统具

32、有可靠性高，价 格便宜，结构紧凑等特点，非常适合机床的控制要求，具体控制思路 如图3所示。C FBs-44MN的NC机床图3采用永宏PL定位电气控制系统图可编程逻辑控制器是该机床各项功能的逻辑控制中心， 集成于数控系 统中，主要是指控制软件的集成化，而 PLC硬件则在规模较大的系 统中往往采取分布式结构。由图3可以看出，系统控制中心采用永宏 PLC FBS-44MN控制，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以 及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字 交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠， 以移动配有 直线导轨的工作台和主轴铳头，其定位准确，速度快。主轴铳头由

33、变 频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在 程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器， 冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯和人机界面处显示报警信息由 光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定 的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的 差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本 也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获 得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指 标。早期使用一般电机作为定位控制，由于速

34、度不快、或者精度要求 不高，所以足够应对所需场合；当机械运转为了获取效率而将速度加 快时，当产品质量、精度要求越来越高时，电机停止位置的控制就不 是一般电机所能达到的了。解决这一问题的最佳方法是采用 NC定位 控制配合步进或伺服电机作定位控制。但在过去，由于它的价格很高， 而限制了它使用的普遍性，近年来由于技术的发展及成本的降低， 其 价位已被用户所接受，使用数量也越来越多。为配合这一趋势，永宏PLC FBs系列将目前市面上专用的NC定位控制器功能整合在PLC 内部SoC芯片内，除了免掉PLC与专用NC定位控制器之间复杂的的数据交换与连结程序外，更大幅降低整体成本，为用户提供一种价 廉物美、简

35、单方便的PLC整合NC定位控制的方案。永宏PLC FBS-44MN内部的SoC芯片含有多轴高速脉冲输出以及高速硬件计数 器，并且提供简易使用和设计的定位程序编辑，对于这方面的应用， 更是如虎添翼、如鱼得水、得心应手了。PLC结合伺服驱动器所构成 的NC闭环回路控制系统中，PLC负责发送高速脉冲命令给伺服驱动 器，除了装在伺服电机的位移检测信号直接反馈到伺服驱动器外，外加位移检测器装在传动机构之后，真正反映实际位移量，并将此信号 反馈到PLC内部的高速硬件计数器，这样就可作更精确的控制，并 且可避免上述半闭环回路的缺点。永宏 PLC FBs系列的定位功能将 市面上专用NC定位控制器整合在PLC内

36、，使PLC与NC控制器能 共享相同的数据区，而不需要作两个系统之间的数据交换与同步控制 等复杂的工作，但仍可用一般常用的 NC定位控制指令（例如DRV、 SPD等）。PLC控制4轴的定位工作，并可作多轴同动控制，除了 提供点对点的定位速度控制，还提供了各轴间直线插补功能。当系统 应用超过4轴时还可利用永宏PLC的CPU LINK功能达到更多的定 位运动控制。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和 轮廓切削进给速度；定位精度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、 动态 特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有 一

37、个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。在数控机床的加 工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动， 要求进给驱动具 有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。此外，从系统控制 角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必 须考虑软件处理的时间是否足够。全闭环伺服系统是将位置检测元件 置于被测坐标轴的终端移动部件上，以检测机械传动链中螺距误差、 间隙及各种干扰所造成的传动误差， 并进行反馈补偿控制，从而提高 机床的位置控制精度。在全

38、闭环伺服控制系统中，对位置检测元件和 反馈元件的选择很关键。感应同步器具有精度高、重复性好、抗干扰 能力强，耐油耐污及维护简单等优点，特别适合于高精度全闭环 数控 机床的工作场合。数控机床要求具备稳定性快速性和准确性， 而大型 数控机床的机械传动装置转动惯量较大，固有频率低，要使其大大高 于系统截止频率很困难，全闭环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定 的非线性因素，调整不当很容易使机床产生抖动现象。因此数控机床全闭环伺服系统在保证快速性的基础上主要是解决机 床进给运动的稳定性而获得比半闭环伺服系统高的位置精度。伺服电机的编码器将位移检测信号反馈到伺服驱动器，驱动器将输入信号的脉冲频率和脉冲数与回

39、馈信号的频率和脉冲数，经内部的偏差计数器与频率转电压电路处理后，得到脉冲偏差值与转速误差值，这样使控 制伺服电机实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系统。 伺服电 机的转速与输入信号的脉冲频率成正比，而电机的移动量则由脉冲数 决定。图4是PLC控制下的伺服电机工作示意图。控TbusTic. com图4数控机床伺服电机工作示意图2相关程序设计与操作PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。由于PLC工作过程是循环，所以程序执行速度很快。另外软件故障检测设计在采用硬件设计 的基础上采用软件检测外部行程开关状态，当行程开关失灵后，通过程序控制停止机床的运行，有效地减少了机床因元件失灵造成的事 故。图

40、5是使用编程软件 WinProladder编辑定位程序参数设定指令图，图 6是具体操作加工程序参数设定指定位程序令图PL涎数控加工中的示例6本文所用组合机床为四工位组合机床，该机床由四个滑台， 各载一个加工动力头， 组成四个加工工位，除了四个加工工位外，还有夹具，上下料机械手和进料器，四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面以及中心 孔进行加工，一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料， 下料机械手自动取走加工完成的零件，零件每小时可加工 80件。该机床的俯视示意图如下：1.2控制流程当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧

41、零件，进料装置进料， 然后四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，加工完成后，各工作滑台退回原位，接下来下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手带料退回原位并松开，完成一个工作循环。要求组合机床能以手动、半自动、全自动三种工作方式工作。全自动工作方式为一个工作循环结束后，自动进入下一个工作循环；半自动工作方式为一个工作循环结束后，机床将停车于初始状态；手动方式是用于手动调整的。1.3电控系统输入输出信号1、输入信号（共42个）。其中：SQ、YJ为位置检测传感器开关；SA为选择开关；SB为按钮。功能器件功能器件功能器件功能器件滑台1原位1SQ下料器终点12SQ 滑台1进5SB主轴4点动 1

42、6SB滑台1终点2SQ夹紧1YJ滑台1退6SB 夹紧17SB滑台2原位3SQ进料2YJ主轴1点动7SB 松开18SB滑台2终点4SQ放料3YJ滑台2进8SB上料器进19SB滑台3原位5SQ润滑压力4YJ滑台2退9SB上料器退20SB滑台3终点6SQ润滑液面开关5YJ主轴2点动 10SB进料21SB滑台4原位7SQ总停1SB滑台3进11SB 放料22SB滑台4终点8SQ启动2SB滑台3退12SB 冷却开23SB上料器原位9SQ预停3SB主轴3点动13SB 冷却停24SB上料器终点10SQ润滑故障撤除4SB滑能4进 14SB下料器原位11SQ选择开关1SA滑台4退15SB2输出信号（共27个）。其

43、中：YV为电磁阀；KM为接触器；1HL为指示灯功能器件功能器件功能器件功能器件15YV润滑电动机 6KM16YV润滑显示灯 1HL夹紧1YV上料退 8YV放料松开2YV下料进 9YV进料滑台1进3YV下料退10YV 1 主轴 1KM1、3工位原位指示2HL滑台1退4YV滑台2进11YV 2主轴2KM2、4工位原位指示3HL滑台3进5YV滑台2退12YV 3主轴3KM上料原位指示4HL滑台3退 上料进6YV滑台4进7YV滑台4退13YV 4主轴14YV 冷却电动机4KM5KM下料原料指示5HLSA为选择开关；SB为按钮功能器件功能器件功能器件功能器件滑台1原位1SQ下料器终点12SQ滑台1进5S

44、B主轴4点动16SB滑台1终点2SQ夹紧1YJ滑台1退6SB夹紧17SB滑台2原位3SQ进料2YJ主轴1点动7SB松开18SB滑台2终点4SQ放料3YJ滑台2进8SB上料器进19SB滑台3原位5SQ润滑压力4YJ滑台2退9SB上料器退20SB滑台3终点6SQ润滑液面开关5YJ主轴2点动10SB进料21SB滑台4原位7SQ总停1SB滑台3进11SB放料22SB滑台4终点8SQ启动2SB滑台3退12SB冷却开23SB上料器原位9SQ预停3SB主轴3点动13SB冷却停24SB上料器终点10SQ润滑故障撤除4SB滑能4进14SB第3章电气控制系统硬件设计3.1选择PLC机型合理选择PLC的型号，对于提

45、高 PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。选择机型的 基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及最佳功能价格比。(1) 结构选择PLC主要有整体式和模块式。整体式PLC:整体式PLC的每一个点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对小，一般用 于系统工艺过程较为固定，环境条件较好，维修量较小的小型控制系统中。模块式PLC :模块式PLC功能扩展灵活方便。在点数上，输入点数，输出点数的比例，模 块的种类方面选择余地大，且维修方便，一般用于较复杂的控制系统。对于组合机床，选用整体式PLC较好。(2) I/O点选取原则PLC平均的I/O点价格比较高，因此应该合理选用 PLC的I/O

46、点数量，在满足控制要求的 前提下力争使用的I/O点最少，但必须留有一定余量。通常 I/O点数是根据被控制对象的输 入输出信号的实际需要，再加上 10%-20%的余量来确定。由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，均为开关量。其中检测元件17个，按钮开关24个，选择开关1个。电控制系统有输出信号 27个，其中电磁阀16个，六台电动机的接触器和5个指示灯。根据I/O点数的选取原则考虑 10%-20%的I/O点数余量输入点数可选取 46-50个输出点数可选取 29-33 个。(3) 确定PLC机型及扩展模块。根据(1) (2)及实际PLC机型点数，选用 FX2N-64MR主机和一个16点的输入扩展模块 (FX-16EX )这样共有输入点(32+16)。输出点就是主机的 32。足够可以满足42个输入， 27个输出的要求