数控控制系统中PLC的应用.doc

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PLC在数控机床上的应用

专 业 机电设备管理与维修
班 级 机电设备0902
姓 名 李光磊
学 号 3
指导教师 姜老师

摘 要

目前,可编程控制器（PLC）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自动化专用加工设备，这类设备大多能多刀同时工作，并且具有自动循环的功能。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自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动加工设备。

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 自动循环

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)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3～5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

。

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。数控机床的工作过程如图2所示.本文为互联网收集，请勿用作商业用途

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，可以不采取其它措施而将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 　　如以太网文档为个人收集整理，来源于网络
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 等，实现生产过程的综合自动化。 　　(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。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。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
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、
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自动控制；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，价格低廉的自动化装置——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。文档为个人收集整理，来源于网络
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-—可编程程序控制器（PLC）。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．PLC与继电器—接触器相比较：
继电器-接触器控制系统自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，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还配备了自检和监控功能,能自诊断出自身的故障，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．PLC与单片机比较
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自动化控制而设计的，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
使用单片机来实现自动控制,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
使用单片机来实现自动控制，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自动控制，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FBs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、高效率的自动化设备,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—44MN PLC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。个人收集整理，勿做商业用途

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铣头,其定位准确，速度快.主轴铣头由变频器控制,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 个人收集整理，勿做商业用途
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，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.本文为互联网收集，请勿用作商业用途

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
图5

图6
PLC在数控加工中的示例
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 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
下料器原位 11SQ 选择开关 1SA 滑台4退 15SB
2 输出信号（共27个）.其中：YV为电磁阀；KM为接触器；HL为指示灯
功能 器件 功能 器件 功能 器件 功能 器件
夹紧 1YV 上料退 8YV 放料 15YV 润滑电动机 6KM
松开 2YV 下料进 9YV 进料 16YV 润滑显示灯 1HL
滑台1进 3YV 下料退 10YV 1主轴 1KM 1、3工位原位指示 2HL
滑台1退 4YV 滑台2进 11YV 2主轴 2KM 2、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 6YV 滑台4进 13YV 4主轴 4KM 下料原料指示 5HL
上料进 7YV 滑台4退 14YV 冷却电动机 5KM

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
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，而且留有一定余量。
3.2 设计输入输出信号地址表
输入输出信号地址表是将输入输出列成表，给出相应的地址和名称,以备软件编程和系统调试时使用的一种表。由本设计可知控制电路中的按钮，行程开关，检测元件等触点都属于PLC的输入设备，PLC的输出控制对象主要是控制电路中的执行元件，本设计主要是接触器，电磁