摘要
数控机床是一种机电一体化的数字控制自动化机床。早期的数控机床是依靠继电器逻辑来实现相应的功能。由于继电器逻辑是一种硬接线系统，布线复杂，体积庞大，更改困难，一旦出现问题，很难维修。这样的系统，其可靠性往往也不高，影响正常的生产。
本文正是针对这一问题展开工作的。本文介绍了用三菱FX2N微型可编程控制器对CK9930机床的电气控制部分的改造设计，重点阐述了数控机床PLC的功能、机床的电气控制原理及相应的PLC程序编制与调试三方面的问题。并且详尽地展示了PLC控制程序的开发过程。
根据数控车床所承担加工任务的特点，可知其操作过程比较复杂。要用PLC 控制车床动作，必须将PLC及其控制模块和相应的执行元件加以组合。所以在该控制程序的开发过程中，采用了模块化的结构设计方法。
本文主要完成了主轴控制、坐标轴控制、自动换刀控制、定时润滑控制以及报警处理等功能的PLC控制程序的开发。并且利用FXGP_WIN-C软件编写了该机床的PLC控制程序，并借助其运行、监控功能，通过相关设备，观察了程序的运行情况。
关键词：PLC控制，数控车床，梯形图
目录
第一章概述 (1)
1.1 数控系统的工作原理 (1)
1.1.1 数控系统的组成 (1)
1.1.2 数控系统的工作原理 (2)
1.2 PLC的硬件与工作原理 (3)
1.2.1 PLC的简介 (3)
1.2.2 PLC的基本结构 (3)
1.2.3 PLC的工作原理 (4)
第二章数控车床的PLC (5)
2.1 数控车床PLC的信息传递 (5)
2.2 数控车床中PLC的功能 (6)
2.2.1 PLC对辅助功能的处理 (6)
2.2.2 PLC的控制对象 (6)
2.3 用PLC实现车床电气控制系统的功能 (7)
2.4 利用PLC代替继电器—接触器控制方式的优越性 (8)
第三章 CK9930数控车床电气控制分析 (9)
3.1 车床主要结构和运动方式 (9)
3.2 车床对电气控制的要求 (9)
3.3 车床的电气控制电路分析 (10)
3.3.1 主电路分析 (11)
3.3.2 控制电路分析 (11)
第四章 PLC控制程序的设计 (12)
4.1 PLC程序设计方法 (12)
4.1.1 PLC的程序设计步骤 (12)
4.2 PLC程序的模块化设计…………………………………………
12
4.3 输入输出分配………………………………………………………
12
4.4 梯形图程序设计 (15)
4.4.1 梯形图总体框图………………………………………………
15
4.4.2 公用程序………………………………………………………
16
4.4.3 回原点程序……………………………………………………
16
4.4.4 主轴控制程序…………………………………………………
17
4.4.5 坐标轴控制程序………………………………………………
17
4.4.6 报警处理程序…………………………………………………
18
4.4.7 定时润滑控制程序……………………………………………
18
4.4.8 冷却程序………………………………………………………
19
4.4.9 自动换刀控制程序……………………………………………
19
4.4.10 需要说明的问题……………………………………………
21
4.5 梯形图程序的调试 (21)
4.6 本章小结……………………………………………………
21
结
论 (22)
参考文献 (23)
第1章概述
CK9930型数控车床配备的是华中I型数控系统，是一种比较老式的小型简易经济型数控系统。随着数控技术的不断进步与发展，这一数控系统已不能满足加工要求，本课题就是对现有的CK9930数控车床所进行的改造项目的一个组成部分。主要是车床电气控制部分进行改造。
车床电气控制系统是控制车床各部分的工作、协调完成车床加工任务的核心部分，它由大量继电器构成一个复杂的逻辑控制电路。该车床复杂的继电器逻辑控制线路构成的电气控制系统故障率高，难于维护，很有必要对其进行改造，即用PLC代替继电器--接触器控制方式。
1.1数控系统的工作原理
国际信息处理联盟对数控机床做了如下定义定义：数控机床是一种装有程
序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令
规定的程序。
这里所说的程序控制系统就是数控系统（Numerical Control,简称NC）而现在的数控系统都是以计算机作为控制中心，所以称为计算机数控(Computerized Numerical Control, 简称CNC)。
1.1.1 数控系统的组成
CNC系统的一般结构如图1.1所示，CNC系统主要是指图中的CNC控制器，它是由计算机硬件、数控系统软件及相应的输入输出接口构成的专用计算机和
可编程控制器所组成。前者处理机床轨迹运动的数字控制，后者则处理开关量的逻辑控制。
程
序
图1-1 CNC系统的一般结构框图
1.1.2 数控系统的工作原理
虽然数控系统种类繁多，但其的基本原理都是相通的。即都是通过运算器进行插补运算，然后对进给轴进行闭环控制，实现机床的数控功能。
（1）进给系统控制
进给系统的控制大多是通过控制步进电机来实现的。步进电机是一种在外加电脉冲信号的作用下一步一步地运转,将电脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。其角位移量和输入脉冲的个数严格成正比,在时间上与输入同步, 控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通电顺序, 便可获得所需的转角、速度及转动方向；无脉冲输入时,在绕组电源的激励下,气隙磁场使转子保持原来的位置状态。利用这一原理,便可实现加工时纵、横向的进给,并可获得较高精度。
（2）开关量控制
数控机床的开关量信号控制是通过PLC来完成的。
机床的各开关量可通过IO 口进行信息交换。由于IO 口可输入信号和输出信号, 其输出信号经过逻辑译码电路转换成多路的输出信号, 可实现主轴电机、冷却泵及主轴变速等的控制；输入口可接受行程限位开关暂停、主轴同步脉冲、选刀回答等信号。从而实现各种状态的检测, 最终实现机床的各开关量控制。
（3）主轴控制
数控系统只对主轴系统进行开关控制。数控装置通过PLC对主轴系统进行起停控制。
1.2 PLC的硬件与工作原理
1.2.1 PLC简介
可编程序控制器（Programmable Controller）简称PC，为了不与个人计算机（也简称PC）混淆，通常将可编程序控制器称为PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。
目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，并被公认为现代工业
自动化的三大支柱（PLC、机器人、CADCAM）之一。
与一般微机控制系统最大的区别是，PLC必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围。
1.2.2 PLC的基本结构
PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。
PLC硬件系统的基本结构如图1.2所示。
现场输入开关元件PLC主控单元现场被控执行器
图1-2 PLC的基本结构示意图
PLC的软件系统则包括系统软件和用户应用软件。
从广义上讲，可编程序控制器PLC实质上是一种专用工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相联接的接口，以及具有更直接的适用于工业控制要求的编程语言。
1.2.3 PLC的工作原理
（1）PLC的工作过程
PLC上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。PLC的工作过程如图1.3所示。
图1-3 PLC的工作过程
（2）用户程序的循环扫描过程
PLC的工作过程与CPU的操作模式有关。CPU有两个操作模式:STOP模式和RUN 模式。在扫描周期内，STOP模式和RUN模式的主要差别是：RUN模式下执行用户程序，而在STOP模式下不执行用户程序。PLC对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
第2章数控车床PLC
在数控车床中，位置控制是由位置控制器来实现的。而其它的大部分动作即辅助机械动作的控制如主轴启停、换向,换刀控制、冷却和润滑系统的运行以及报警监测等功能则可由可编程控制器(PLC)来实现。
2.1 数控车床PLC的信息传递
通过PLC来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通过按钮和检测元件输入PLC，再通过PLC内部程序的运算将结果输出到各种执行设备，完成电气控制系统对于车床的控制。所以就涉及PLC与数控装置、机床之间的信息交换。可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装置I0口的联接可归纳为下列三部分：
（1）PLC输入输出端与机床面板信号联接
CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关和指示灯等，按钮、旋钮开关直接与可编程控制器的输入端接线柱相连，指示灯直接与PLC输出端接线柱相连。
（2）PLC输出端与机床强电信号联接
PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分，如:主控电源、伺服电源、刀架电机正转、润滑电机等。每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PLC中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。
（3） PLC输入端与CNC机床数控装置IO口的联接
可编程控制器输出端的通断是由其输入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装置与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC输入端的通断，以决定PLC输出端的状态。从数控装置IO口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装置从IO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，数控装置的IO口是输入信号，数控装置根据输入信号的性质做出相应的控制。
2.2 数控车床中PLC的功能
2.2.1 PLC对辅助功能的处理
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己趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床
ISO代码。归纳起来有4种功能:一种是准备功能，即所谓的G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；第四种是转速功能即所谓的S代码。其中，G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I0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。
⑴M功能的处理
M指令主要有M02 (程序停止) 、M03 (主轴顺时针旋转) 、M04 (主轴逆时针旋转)、M05 ( 主轴停止) 、M06 ( 准备换刀) 等。其中一部分是由数控系统本身的硬件和软件来实现,还有一部分需要数控装置与PLC 相结合来实现。
⑵ T功能的处理
在PLC上实现的主要是刀具选择。当遇到包含某个刀具编码的换刀指令时, 对应的数控装置IO口变成高电平,数控系统将T代码指令送给PLC，PLC经过译码指令进行译码后，检索刀号，然后控制换刀装置进行换刀。
⑶S功能的处理
S功能主要完成对主轴转速的控制,常用的有代码法和直接指定法。代码法是S后面跟二位数字,这些数字不直接表示主轴转速的大小,而是机床主轴转速数列的序号；直接指定法是S后面直接就是主轴转速的大小,例如S1500 表示主轴转速是1500 rmin。
2.2.2 PLC的控制对象
数控系统可以分为两部分：控制伺服电动机和主轴电机动作的系统部分NC 和控制辅助电气部分的PLC。数控机床PLC主要完成数控机床的顺序控制，包括对NC、机床及操作面板传来的信号进行处理，实施急停及超程信号的监控，并且完成对主轴、刀架、冷却、润滑等功能的控制。
①操作信号处理
接收操作面板上的信号和NC部分传来的数控信号以控制数控系统的运行。
②主轴控制
控制主轴的启动、停止及正反转。
③坐标轴控制
控制坐标轴的伺服驱动及限位开关等。
④换刀控制
实现对程序换刀的控制。
⑤冷却控制
实现程序控制冷却的启动、停止。
⑥润滑控制
实现定时润滑的控制。
2.3 用PLC实现车床电气控制系统的功能
从本质来讲，基于PLC 的机床电气控制系统对机床的控制思路仍然与继电器-接触器控制系统是一致的。只是在控制手段上采用了先进的控制设备。
PLC 控制系统其优点在于根据加工工艺要求的不同相应的修改程序就可以实现。车床电气控制系统属于广泛的应用系统，不针对特殊的加工工艺，因此PLC 内部的程序只需要相对每个控制按钮发出的信号，做出相应的动作即可。
通过PLC 来实现车床电气控制系统的各项功能，需要将各种控制和检测信号通过按钮和检测元件输入PLC，再通过PLC 内部程序的运算将结果输出到各种执行设备，完成电气控制系统对于车床的控制。每个功能的输入信号，都可以通过控制面板上的按钮进行操作，输出则可以通过接触器、电磁阀等执行机构完成。基于PLC 的车床电气控制系统功能分解如图2-1。
图2-1 PLC 车床控制系统分解图
2.4利用PLC代替继电器--接触器控制方式的优越性
⑴可维护性好采用PLC进行控制后, 由于采用了专用芯片及集成电路，提高了集成度，减少了元器件数量，机床控制电路的接线量大为减少，故障率大大降低。可维护性好，基本上无需维护。
⑵可靠性高 PLC的平均无故障工作时间高达300000 chart)；
⑵梯形图(Ladder diagram)；
⑶功能块图(Function block diagram)；
⑷指令表(Instruction list)；
⑸结构文本(Structured text)。
该标准中有两种图形语言——梯形图（LD）和功能块图（FBD），还有两种文字语言——指令表（IL）和结构文本（ST），顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图。[8]
其中，梯形图是使用的最多的图形编程语言，有PLC第一编程语言之称。梯形图采用类似于继电器触点、线圈的图形符号，容易理解和掌握。梯形图常被称为程序，梯形图的设计称为编程。梯形图也很适合于开关量逻辑控制。本文也采用梯形图进行程序的编制。
4.1.2 PLC程序设计步骤
图4-1所示为PLC控制系统设计与调试的一般步骤。
图4-1 PLC控制系统设计与调试的一般步骤
4.2 PLC程序的模块化设计
由于车床的操作过程复杂，机加工控制对象每一工作循环周期的控制关系比较复杂，因此，如果将各种控制程序“混合”在一起设计，则各程序间必然会相互“牵连”，从而使设计的难度成倍增大。
为此作者决定在PLC用户程序程序设计中，采用模块化设计思想，即对系统按照控制功能进行模块划分，将不同功能的程序放在不同的模块中设计，依次对各控制功能的模块设计梯形图。这样，使得每一部分的程序都可以单独设计和修改，也就是说设计和修改某一部分程序时，不必担心会对另一部分程序造成影响。程序结构清晰，便于调试，还可以根据需要灵活增加其他控制功能。
本次设计中，综合车床的特点，在开发该机床的PLC控制程序的过程中将PLC程序划分为7个模块，即公用程序模块、主轴模块、坐标轴控制模块、润滑控制模块、自动换刀模块、报警模块和冷却控制模块。
4.3 输入输出分配
接下来就是编制IO分配表。IO分配表是设计梯形图程序的基础资料之一，也是设计PLC控制系统时必须首先完成的工作，会给PLC系统软件设计和系统调试带来很多方便。
在编制IO分配表时，同类型的输入点或输出点尽量集中在一起,连续分配。
本次程序开发所用IO分配见表4-1所示。
表4-1 输入输出设备与PLC输入输出端子分配一览表
输入端输出端
输入设备输入端子号输出输出端子号
旋钮开关 X0—X13 循环启动 Y0
循环启动按钮 X14 进给保持 Y1
进给保持按钮 X15 单段 Y2
单段按钮 X16 机床锁住 Y3
机床锁住按钮 X17 快进 Y4
主轴正转按钮 X20 主轴正转 Y5
主轴反转按钮 X21 主轴反转 Y6
主轴停按钮 X22 主轴停 Y7
X向退按钮 X23 X向退 Y10
X向进按钮 X24 X向进 Y11
Z向退按钮 X25 Z向退 Y12
Z向进按钮 X26 Z向进 Y13
快进按钮 X27 NC报警 Y14
急停按钮 X30 超程报警 Y15
超程解除按钮 X33 X回参考点 Y16
Z正向行程开关 X34 Z回参考点 Y17
Z反向行程开关 X35 进行润滑 Y20
X正向行程开关 X36 润滑故障报警 Y21 X反向行程开关 X37 换刀完成 Y22
冷却开按钮 X40 刀架正转 Y23
冷却关按钮 X41 驱动指示 Y24
润滑电机起动按钮X42冷却开 Y25
润滑油路压力继电器 X43X轴驱动使能 Y26
1～4号刀到位 X44—X47 Z轴驱动使能 Y27 换刀按钮 X50
4.4 梯形图程序设计
在本次程序开发过程中采用的是FXGP_WIN-C编程软件。FXGP_WIN-C是在Windows操作系统下运行的FX系列PLC的专用编程软件，操作界面简单方便，在该软件中可通过梯形图、指令表及SFC 符号来编写PLC程序。创建的程序可在串行系统中与PLC进行通讯、文件传送、操作监控以及完成各种测试功能。
4.4.1 梯形图总体框图
图 4-2 所示为该控制系统的PLC梯形图程序的总体结构，将程序分为公用程序、回原点程序、主轴控制程序、坐标轴控制程序、报警处理程序、定时润滑控制程序、冷却程序、自动换刀控制程序八个部分。
图 4-2 PLC程序总体结构
最大限度地满足被控对象的控制要求，是PLC应用程序设计的一大原则。
在构思出这个程序主体的框架后，接下来就是以它为主线，逐一编写各子程序。
4.4.2 公用程序
公用程序如图 4-3 所示。
图 4-3 公用程序
4.4.3 回原点程序
在正式进行数控加工之前，刀架应当先回零，回零之后刀架在机床坐标系中的位置就定下来了。
图4-4 回原点控制梯形图
图4-4 所示为刀架自动回原点的梯形图。拨开回原点起动按钮X12，M14变为ON, 刀架开始向X和Z两个方向退，退到X正向行程开关时X36为ON，刀架向Z方向退，到Z向限位处时，X34变为ON, Z方向也停止并将M14复位。这时原点条件满足，M0为ON，在公用程序中，初始步M0被置位，为以后的工作做好了准备。
4.4.4 主轴控制程序
数控机床主轴控制包括主轴正反转控制和主轴停转控制等。
图4-5 主轴控制流程图
图4-6 主轴控制梯形图
在梯形图中，主轴正、反转之间有逻辑互锁关系，以免控制功能切换时发生故障。除此之外，必须采用PLC内部的时间继电器进行延时控制，否则会造成正、反转接触器同时接通而引起电源短路。这是因为PLC执行程序的速度要比接触器动作速度快得多。程序中用定时器T0和T1来完成5s的转换延时。另外，还利用PLC内部的辅助继电器M03和M04作为正反转控制的辅助继电器。
4.4.5 坐标轴控制程序
坐标轴控制设计的核心是围绕坐标轴驱动允许而展开的[10]。它包括超程、驱动故障、坐标轴紧停、坐标轴正常停止等的控制。一方面为PLC给出坐标轴可以运动的信号，另一方面又控制着电机运行。
对驱动器使能、监控硬限位和参考点碰块等的控制逻辑为：
限位开关超程
自保持
复位驱动故障驱动允许超程驱动允许紧停轴停
图4.7 坐标轴控制逻辑设计
图4-8 坐标轴控制梯形图
图4-9 一种可能的坐标轴运动流程图4.4.6 报警处理程序