《数控原理与系统》第7章数控机床电气控制系统.ppt

第7章 数控机床电气控制系统,7.1 概述 7.2 JBK-30型数控系统及其在CJK0630A车床上的应用7.3 FAGOR 8025/8030数控系统及其在CK6150数控车床上的应用 7.4 数控系统中PLC的信息交换及M、S、T功能的实现7.5 数控机床电气图的绘制方法小结习题,7.1 概 述,数控机床是典型的机电一体化产品，除了计算机数控装置和伺服驱动装置之外，还必须有配套的电气控制电路和辅助功能控制逻辑。,数控机床电气控制电路 数控机床的电气控制电路包括主电路、控制电路、数控系统接口电路等几个部分，涉及低压电器元件、机床电气控制技术和数控系统接口等知识。,机床主电路主要用来实现电能的分配和短路保护、欠压保护、过载保护等功能。在控制要求较高的数控机床总电源回路中，为了保证数控系统的可靠运行，一般要通过隔离变压器供电；对于电网电压波动较大的应用场合，还要在总电源回路中加装稳压器；对于主回路中容量较大、频繁通/断的交流电动机电源回路，为了防止其对数控系统产生干扰，一般要加阻容吸收电路。,机床控制电路主要用来实现对机床的液压、冷却、润滑、照明等进行控制，该电路的控制原则与普通机床相同，但有些开关信号来自数控系统，而且在交流接触器、继电器线圈的两端要加阻容吸收。数控系统接口电路用来完成信号的变换和连接。由于在数控系统内部是直流弱电信号，而机床电气控制电路是交流强电信号，为防止电磁场干扰或工频电压串入计算机数控系统中，一般采用光电耦合器进行隔离。常见的接口电路如图7.1所示。,（a）直流输入接口(b)达林顿晶体管输出接口图7.1 数控系统开关量输入/输出接口,数控辅助功能 数控系统除了用于进给位置控制的准备功能（G功能）之外，还有用于零件装卸、冷却液开关、主轴启停等控制的辅助功能(M功能),以及用于指定主轴转速的S功能、用于刀具更换的T功能。这些辅助动作控制功能通称为数控辅助功能。1.辅助功能M 辅助功能M，用来控制主轴的正反转及停止，主轴齿轮箱的变速，冷却液的开关，卡盘的夹紧和松开，以及自动换刀装置的取刀和还刀等。在零件程序中，用字母“M”后跟2位十进制数字构成的M代码编程。表7.1所示，为某数控系统的基本辅助功能。,表7.1 基本辅助功能动作类型,各辅助功能的执行条件是不完全相同的，从而可以分为4种动作类型。有的辅助功能在它所在程序段开始执行时就立即起作用，这类辅助功能称为段前辅助功能，记为I，例如M03、M04等。有些辅助功能要等到它所在程序段中的坐标轴运动完成之后才起作用，故称为段后辅助功能，记为A，例如M05、M09等。,有些辅助功能只在本程序段内起作用，当后续程序段到来时便失效，称为当前辅助功能，记为C类，例如M06等。还有一些辅助功能一旦被执行便一直有效，直至被注消或被取代为止，称为保持类辅助功能，记为H类，例如M10、M11等。对于不同动作类型的辅助功能，在用逻辑电路或编写PLC程序实现时，其处理方法也将不同。,2S功能 S功能主要完成主轴转速的控制，有S2位代码和S4位代码两种编程形式。S2位代码用字母“S”后跟2位十进制数的形式来指定主轴转速，S00S99共100级，主要用于分档调速的主轴。S4位代码用字母“S”后跟4位十进制数的形式来指定主轴转速，例如，S1500就直接表示主轴转速为1500r/min。S4位代码表示的转速范围为09999r/min，用于带专用主轴驱动单元的连续或分段无级主轴调速。,3T功能 T功能即刀具功能，T代码后跟随25位数字表示要求的刀具号和刀具补偿号。数控机床根据T代码，通过PLC可以管理刀库，自动更换刀具，也就是说根据刀具和刀具座的编号，可以简便、可靠地进行选刀和换刀控制。,数控系统中的可编程控制器（PLC）数控系统辅助控制功能以开关量顺序控制为主，可采用继电器控制逻辑或可编程序逻辑控制器（PLC）实现。在一些经济型的数控车床和辅助动作比较简单的数控机床上，为了简单起见，其辅助动作的控制常用继电器逻辑实现。而在功能比较完善的数控机床上，其辅助动作的控制逻辑一般都比较复杂，如果仍使用继电器实现，则电路的设计和调试将比较困难，可靠性也差。因此，多数数控机床都采用可编程控制器（PLC）来完成辅助运动的控制。,根据所用PLC与CNC装置之间的关系不同，数控系统中的PLC分为内装型PLC和独立型PLC两种配置形式。1独立型PLC 所谓独立型PLC实际上也就是一个通用型PLC，它完全独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件，能够独立完成逻辑顺序控制任务。它与CNC装置、数控机床之间的关系如图7.2所示。,独立型PLC不但要进行机床侧的I/O连接，还要进行CNC装置侧的I/O连接。CNC和PLC都有自己的开关量I/O接口电路，PLC的I/O点数和功能可根据被控机床辅助动作的复杂程度而定。数控车床、数控铣床等单台数控设备，所需PLC的I/O点数大多在64点以下，加工中心等复杂设备在64点以上，这时选用微型或小型PLC上即可。而对于大型数控生产线，如FMC、FMS、CIMS等，则需要选用中型或大型PLC。独立型PLC配置灵活，不受CNC的限制。但是其连线复杂，与CNC之间的联系不紧密，造价较高，性能/价格比较低。,2内装型PLC 内装型PLC也叫内置型PLC，内装型PLC的全部功能包含在CNC装置内，从属于CNC装置，与CNC装置集成于一体，如图7.3所示。在内含PLC的数控系统中，其PLC的硬件和软件作为CNC装置的基本功能统一设计，并且其性能指标也由CNC系统来确定。内置型PLC与所从属CNC装置之间的信号传送均在其内部进行，无需另外连线。与被控机床开关量信号的传送通过CNC装置的I/O电路完。,内置型PLC既可以与CNC共用一个CPU，也可以设置专用的CPU，其逻辑电路结构如图7.4所示。与CNC 共用CPU可以进一步更充分地利用CNC装置中微处理器的余力来完成PLC的功能，并且使用元器件较少，但I/O点数不可能太多，功能也有限，一般用于中低档数控系统。后者由于有自己的CPU来处理PLC的功能，功能较强，速度较快；用于规模较大，逻辑复杂，动作速度要求高的数控系统中。由于内置型PLC与CNC一体化设计，与CNC内部直接处理数据的能力强，外部接线简单，可靠性高，整体造价较低，具有较高的性能/价格比。,7.2 JBK-30型数控系统及其在CJK0630A车床上的应用,7.2.1 JBK-30型数控系统简介 JBK-30型数控系统是一种经济（简易）型数控系统，主要用于经济型和教学型数控车床的控制，也可以用作普通车床的数控改造，其外部结构如图7.5所示。,（a）外观结构,（b）后面板结构,图7.5 JBK-30型数控系统外部结构,该数控系统采用一体化结构，操作面板、电源、CNC控制电路以及步进电机的驱动电路全部安装在一个控制箱中。在操作面板上装有4排LED数码管显示器；在显示器右边有40个编辑键，8个状态键，8个控制键。在控制箱后面板上，装有交流220V电源插座、螺纹插座、T功能插座、M.S功能插座、X电机插座和Z电机插座。,系统采用交流220V电源供电，螺纹插座用来连接主轴编码器，T功能插座用于刀架电机的控制和接收刀位开关信号，S.M功能插座用来控制主轴换档和主轴启动/停止等辅助控制，X电机插座和Z电机插座为步进电动机驱动电源的输出，用来驱动X轴和Z轴步进电机。各插座的接口定义如图7.6所示。,图7.6 JBK-30型数控系统接口定义,7.2.2 CJK0630A数控车床传动结构和控制要求 CJK0630A数控车床是具有两轴联动功能的教学型数控车床，其结构比较简单，传动系统如图7.7所示。该数控车床的主轴由3KW交流异步电动机M1驱动，手动分档变速；在主轴的尾端装有主轴编码器G1，用于实现螺纹加工。进给运动采用步进电机M4、M5驱动，SQ1SQ4分别为X轴和Y轴的正负向限位开关。该机床采用四工位刀架，M3为刀架电机，T1T4为四个刀位检测开关。M2为冷却液水泵电机。,图7.7 CJK0630A数控车床机械传动图,CJK0630A数控车床主轴的正转、反转、停止分别由JBK-30型数控系统的M03、M04、M05指令控制，主轴转速采用手动机械换档控制。通过主轴编码器反馈，同步进给，实现螺纹加工。冷却液的开关由旋钮SA1控制，当SA1闭合时，主轴启动则冷却液开，主轴停止则冷却液关；当SA1断开时，关闭冷却液。刀架的位置由程序中的T1、T2、T3、T4指令指定。进给运动可点动进给，也可连续自动进给，由JBK-30型数控系统控制。如果超过正负向限位，则产生报警。,7.2.3 控制电路工作原理 机床控制电路如图7.8、图7.9所示，共有三台交流异步电动机，两台步进电动机。由于该机床的辅助动作比较简单，其辅助动作的控制采用继电器逻辑实现。,图7.8 CJK0630A数控车床电气原理图,图7.9 CJK0630A数控车床CNC接口电路,在图7.8中，主回路三相交流电源通过自动空气开关QF1引入，经过自动空气开关QF2、QF3、QF4分配给M1、M2、M3交流异步电动机回路。自动空气开关具有短路保护功能，并能够起到一定的过载保护功能。KM1、KM2为主轴电动机M1的正传和反转接触器，KM3为冷却电动机M2的启动和停止接触器，KM4、KM5为刀架电动机M3的正传和反转接触器。FR1、FR2为M1和M3电动机的过载保护热继电器，由于刀架电机工作时间很短，所以不需要加过载保护。为了提高系统的抗干扰能力，在总电源回路和主轴电动机回路中设置了阻容吸收电路FV1、FV2。,控制回路采用交流220V电源供电，控制回路电源通过单相自动空气开关QF5引入，分别向交流接触器控制回路和CNC装置供电，并具有短路保护和过载保护作用。,接触器KM1、KM2的线圈分别受小型继电器KA1、KA2的常开点控制，当执行到含有M3指令的程序段时，CNC装置发出信号，使继电器KA1吸合，KA1常开点闭合使接触器KM1线圈得电吸合并自锁，接通主轴电动机M1的三相交流电源，主轴正转启动；当执行到含有M4指令的程序段时，CNC装置发出信号使继电器KA2吸合，KA2常开点闭合使接触器KM2线圈得电吸合并自锁，接通主轴电动机M1的三相交流电源，主轴反转启动。当执行到含有M5指令的程序段时，CNC装置发出信号，使继电器KA3吸合，KA3常闭点断开使接触器KM1或KM2线圈断电释放，切断主轴电动机M1的三相交流电源，主轴停止运转；,接触器KM3、KM4的线圈分别受小型继电器KA4、KA5的常开点控制，当需要更换刀具时，CNC装置发出信号，首先使继电器KA4吸合，KA4常开点闭合使接触器KM3线圈得电吸合，接通刀架电动机M3的三相交流电源，刀架电机正转，使刀架抬起旋转；当刀架旋转到预定的刀具位置时，CNC装置发出信号使继电器KA4释放、KA5吸合，接触器KM3线圈断电释放、接触器KM4线圈得电吸合，刀架电机开始反转，使刀架落下并锁紧；延时12秒后，继电器KA5释放，接触器KM4线圈断电释放，刀架电机停止转动，换刀结束。,SA1为冷却液手动开关。SA1闭合后，主轴启动（KM1或KM2吸合）时，接触器KM5得电吸合，接通冷却泵电机电源，冷却泵开始工作；主轴停止（KM1和KM2均断开）时，接触器KM5断电，冷却泵停止工作。SA1断开时，接触器KM5线圈回路切断，冷却电机不工作，冷却泵停止运转。,在图7.9中，T1、T2、T3、T4是四个刀具位置检测开关（或霍尔传感器），分别接CNC装置T功能插座的刀位信号输入端T10、T20、T30、T40。两个坐标的正向限位开关SQ1、SQ3串联后接CNC装置的正限位输入端；两个坐标的负向限位开关SQ2、SQ4串联后接CNC装置的负限位输入端。主轴旋转编码器的5根信号线与CNC装置的螺纹输入相连接，CNC装置的步进驱动输出与X轴、Z轴步进电动机相连接。CNC装置的M功能M3、M4、M5和T功能刀架正转、刀架反转分别经过小型继电器KA1KA5转接后，去控制交流接触器线圈，从而实现了CNC直流24V弱信号到交流220V强信号的转接接口。,通过上述分析可以看出，对于辅助动作比较简单的数控机床，只需要用少量的接触器、继电器元件，配合数控系统接口逻辑，即可实现辅助动作的控制。在CJK0630A数控机床中，辅助M功能M03、M04、M05通过接触器逻辑实现，没有使用S功能，T功能由数控系统完成，当执行换刀指令时，在JBK-30型数控系统内部进行逻辑处理，控制刀架电机完成换刀动作。,7.3 FAGOR 8025/8030数控系统及其在CK6150数控车床上的应用,7.3.1 FAGOR 8025/8030数控系统简介 FAGOR 8025/8030数控系统是由西班牙FAGOR公司生产的数控系统产品。,它有T、TG、TS三个系列，其中T系列为车床系列，TG系列为带有图形功能的车床数控系统，TS为具有刀具自旋转功能的车床数控系统。系统最多可驱动六个坐标轴，也可接受六个轴的反馈输入，可以实现三轴联动直线插补，两轴直线或圆弧插补。系统分辨率为1um，机床定位精度接近2um。系统中G00的最大进给速度可达到65.535m/min，可控最大主轴转速为9999r/min。刀库容量可达99把刀具。8吋单色CRT显示器可进行静、动态图形显示。经RS232和RS485通信接口可以很容易地实现通讯和联网。具有完备的刀具补偿功能。有较强的错误诊断能力。还具有探针输入功能。,1.外形结构 FAGOR 8025/8030车床数控系统外形结构如图7.10所示，其操作面板、CRT显示器和系统主板采用一体化集成安装结构。该数控系统分为不带PLC型和内装PLC型两种形式，其前面板及外形结构相同，后面板I/O连接器数量不同，不带PLC型只有I/O1、I/O2两个I/O连接器，而内装PLC型有I/O1、I/O2、I/O3三个I/O连接器，如图7.11所示。下面以不带PLC型FAGOR 8025/8030车床数控系统（图7.11a）为例，介绍在CK6150数控车床上的应用。,图7.10 FAGOR 8025/8030数控系统外形结构,（a）不带PLC型,(b)内装PLC型,图7.11 FAGOR 8025/8030数控系统后面板布局,2.I/O连接器配置 FAGOR 8025/8030数控系统采用交流220V电源供电，靠后备锂电池保存机床参数等信息。该系统有两个I/O连接器，5个编码器输入插座，1个电子手轮输入插座，两个串行通信接口。,（1）I/O连接器 I/O连接器I/O1、I/O2用来向伺服驱动装置提供模拟电压给定信号，向外部独立型PLC输出辅助功能信号，接受外部PLC送来的同步信号等，配置如图7.12所示。其中M1M15为M功能译码输出；MST01MST80为M、S、T功能BCD编码输出，与三个选通信号M Strobe、S Strobe、T Strobe配合，实现辅助功能输出控制；Emergency Stop为外部输入到CNC的急停信号，Feed Hold为外部输入到CNC的进给保持信号，这两个信号均为低电平有效。,（a）I/O1,(b)I/O2,图7.12 FAGOR 8025/8030数控系统I/O连接器,（2）位置反馈编码器输入A1、A2、A3、A4 A1A4为4个位置反馈旋转编码器输入15针插座，其中A1用于X轴反馈，A2用于刀具或第4轴反馈，A3用于Z轴反馈，A4用于C轴或第3轴反馈。插针排列如图7.13(a)所示。,（a）A1A4插针排列(b)A5插针排列(c)A6插针排列 图7.13 编码输入信号连接器,（3）主轴编码器输入A5 A5为主轴编码器输入插座，用于主轴转速反馈和螺纹加工，插针排列如图7.13(b)所示。（4）电子手轮输入A6 A6为电子手轮输入插座，15号插针用于手轮输入，68号插针用于探针输入，插针排列如图7.13(c)所示。,7.3.2 CK6150数控机床结构及控制要求,1.机床结构 CK6150数控车床外形结构如图7.14所示，床身最大回转直径 500 mm，刀架最大回转直径 300 mm，主轴转速范围 361600rpm(12 档)，横向X轴进给速度 02 m/min，纵向Z轴进给速度 04 m/min，横向X轴快移速度3 m/min，纵向Z轴快移速度 6 m/min，公制螺纹范围 0.0148 mm，英制螺纹范围 1200 t/in，刀具容量 4 把，主轴电机功率 7.5 kw，纵向Z最小设定单位 0.001 mm，横向X最小设定单位 0.001 mm。,图7.14 6150数控车床外形结构,机床传动系统如图7.15所示。该数控车床的主轴由7.5KW双速交流异步电动机M2驱动，手动三档变速，电磁离合器YA1、YA2自动两档变速，共有12档速度；在主轴的尾端装有主轴编码器G1，用于速度测量和螺纹加工。进给运动采用1FT-5064型交流伺服电机M6、M7驱动，SQ1SQ6分别为X轴和Y轴的正负向限位开关和参考点开关。该机床采用四工位刀架，M4为刀架电机，T1T4为四个刀位检测开关。M1为油泵电机，M3为冷却液水泵电机，M5为润滑泵电机。,图7.15 CK6150型数控车床传动系统示意图,此外，CK6150型数控车床卡盘的卡紧与松开，尾座套筒的伸出与退回都是由液压系统驱动的。图7.16所示是CK6150数控车床得液压系统原理图。,图7.16 CK6150型数控车床液压系统原理图,2.控制要求 液压启动/停止由按钮SB3、SB2控制，NC启动/停止由按钮SB5、SB4控制。SA1为照明开关，SB1位外部急停按钮。当有紧急情况发生时，按下急停按钮SB1，切断控制回路电源。机床控制面板如图7.17所示。,图7.17 CK6150型数控车床控制面板图,CK6150数控车床的主轴采用分档变速，三个手动档与四个自动档组成12档变速，四个自动档由MDI按键或零件程序中的S1、S2、S3、S4指令指定，主轴启动/停止受M03/M05指令控制。液压卡盘的松开、夹紧由脚踏开关SQ1控制。液压尾座可点动伸出（点动左SB7）、连续伸出（连续左SB6）、连续退回（连续右SB8）。,冷却液的开关由旋钮SA2和程序中的M08（开）、M09（关）共同控制。导轨润滑采用定时控制，每30分钟一次，每次10秒钟。刀架的位置由MDI按键或程序中的T1、T2、T3、T4指令指定。进给运动可点动进给，也可连续自动进给，由CNC装置控制。如果超过正负向限位，则产生急停报警，按住超程解除按钮SB9后才可再进行点动。,7.3.3 控制电路工作原理 由于CK6150数控车床采用不含PLC的FAGOR 8025数控系统，因此需要独立配置可编程控制器来完成辅助功能的控制。机床控制电路如图7.18、图7.19、图7.20所示，系统采用了西门子S7-200型可编程控制器和西门子611A伺服驱动,其基本工作原理如下。,1.主电路 在图7.18所示的主回路中，三相交流电源通过自动空气开关QF1引入，经过自动空气开关QF2QF6分配给M1M5交流异步电动机回路。自动空气开关具有短路保护功能，并能够起到一定的过载保护功能。,KM1液压电动机M1的启动和停止控制接触器。KM2、KM3、KM4为主轴电动机M2的高速、低速控制接触器；当KM2吸合KM3、KM4断开时，电动机M2定子绕组三角形接法，4极低速运行；当KM3、KM4吸合KM2断开时，电动机M2定子绕组呈双星形接法，2极高速运行。KM5为冷却泵电动机M3的启动和停止控制接触器。KM6、KM7为刀架电动机M4的正传和反转控制接触器。KM8为润滑泵电动机M5的启动和停止控制接触器。,FR1、FR2、FR3分别为M1、M2、和M3电动机的过载保护热继电器，由于刀架电机和润滑电机的工作时间很短，所以不需要加过载保护。为了提高系统的抗干扰能力，在总电源回路和主轴电动机回路中设置了阻容吸收电路FV1FV。,图7.18 CK6150型数控车床主电路原理图,2.CNC接口和控制电路 在图7.19所示的伺服驱动接口、CNC接口和控制回路中，伺服驱动器采用三相交流380V电源供电，三相电源经过自动空气开关QF7引入；FAGOR 8025数控系统采用单相交流220V电源供电，电源经过自动空气开关QF8引入；控制回路采用单相交流110V电源供电，380V电源经过自动空气开关QF9引入后，经过变压器T1和自动空气开关QF10向控制回路供电。KM9为伺服驱动器、FAGOR 8025数控系统、S7-200可编程控制器和直流24V开关电源的电源控制接触器。,图7.19 CK6150型数控车床CNC接口和控制电路原理图,在系统上电后，按下液压启动按钮SB3，接触器KM1吸合并自锁，液压泵电动机得电运转，液压泵开始工作。这时，按下NC启动按钮SB5，接触器KM9吸合并自锁，伺服驱动器、FAGOR 8025数控系统、S7-200可编程控制器和直流24V开关电源同时得电，FAGOR 8025数控系统开始自检。,FAGOR 8025数控系统自检结束后，在没有外部急停报警的情况下，从I/O1口输出X轴、Z轴伺服使能信号，通过继电器KA1、KA2转接后，分别接通611A伺服驱动电源的X331、X332的65、9端，伺服驱动器开始工作。当手动方式点动或者自动执行程序进给时，如果来自PLC的进给保持信号无效，则数控系统通过I/O1口输出010V模拟给定信号到611A伺服驱动器的X331、X332的56、14端，伺服驱动器开始工作，驱动伺服电动机M6、M7运转。,在伺服电动机上，同轴安装这两个传感器，一个是转子位置和速度测量传感器T，另一个是用于位置测量反馈的旋转编码器G。两个伺服电机的转子位置和速度反馈信号分别接到伺服驱动器的X311、X313上，旋转编码器输出的位置测量反馈信号接到FAGOR 8025数控系统的A1、A3接口。,在伺服驱动器上电后，也要进行自检，如果自检正常，则输出一个伺服准备好开关信号给PLC的I2.0。在工作过程中，611A具有电机过热、过载保护功能，一旦检测到电机过热，过热保护继电器动作，向PLC的2.1发出伺服热保护信号，产生急停报警。其他象主轴启/停、换档，换刀等辅助动作，由FAGOR 8025数控系统通过I/O1、I/O2接口将工作方式、辅助控制命令等信号送到PLC处理控制。有些辅助动作的处理控制结果还要由PLC送回数控系统的I/O1接口，通过进给保持信号同步程序的执行。,3.PLC控制电路 在图7.20所示的PLC控制电路中，由西门子S7-200系列CPU 226（24V直流入/16继电器出）主单元和EM221（8入）直流24V输入扩展单元、EM222（8处）继电器输出扩展单元组成56点可编程控制器。,图7.20 CK6150型数控车床PLC控制电路原理图,冷却液开关SA2、尾座操作按钮SB6SB8、超程解除按钮SB9分别接至PLC的I0.0I0.4输入端，用于手动操作。液压电机控制接触器辅助触点KM1、主轴电机控制接触器辅助触点KM2、KM3分别接至PLC的I0.5I0.7输入端，用于连锁控制。四个刀位检测开关T1T4分别接至PLC的I1.0I0.3输入端，用于换刀控制。X轴、Z轴正负向限位开关SQ1、SQ2、SQ4、SQ5分别接至PLC的I1.4、I1.5输入端，用于超程报警。,“伺服准备好”信号和“电机过热”信号分别接至PLC的I2.0、I2.1输入端，用于急停报警。来自FAGOR 8025数控系统的MST选通信号、工作方式(JOG)信号、NC急停信号和复位信号、辅助功能编码(MST01MST20)信号分别接至PLC的I2.2I2.7、I3.0I3.5输入端，用于辅助功能控制。各输入接点的公共端1M4M均与24V开关电源的输出负极M相连。,可编程控制器的继电器输出Q0.0Q0.7的公共端COM1与控制电路的6号线相连，当油泵电机启动后，控制回路的交流110V电源加到COM1端，通过PLC的继电器输出Q0.0Q0.5分别控制接触器线圈KM2KM8的通电/断电，从而控制主轴电机高速/低速、冷却电机启动/停止、刀加正转/反转、润滑电机启动/停止。PLC的继电器输出Q1.0Q1.7的公共端COM2和Q2.0Q2.7的公共端COM3与24V开关电源的正极输出L+相连。,PLC的继电器输出Q1.0Q1.6分别控制24V直流电磁阀YV1YV4和电磁铁YA1YA3的通电/断电，从而控制卡盘的夹紧/松开、位座的伸出/退回、主轴高速档/低速档和主轴的刹车制动。PLC的继电器输出Q2.0Q2.4分别控制24V指示灯HL2HL6的通电/断电，分别用于急停报警、卡盘夹紧、X轴超程、Z轴超程和尾座顶紧的指示。PLC的继电器输出Q2.5与FAGOR 8025数控系统I/O1口的14端相连，用于将外部急停报警信号送给数控系统。PLC的继电器输出Q2.6与FAGOR 8025数控系统I/O1口的15端相连，用于将进给保持信号送给数控系统，同步零件程序的执行。,7.3.4 PLC程序分析 由于CK6150数控机床的辅助控制逻辑较为复杂，单纯用接触器继电器控制逻辑实现比较困难，因此，采用了独立于CNC之外的S7-200可编程控制器来完成辅助控制功能。遵循结构化程序设计原则，PLC程序采用“主程序子程序”结构，以方便PLC程序的设计和调试。,1PLC主程序 如图7.21所示，是CK6150数控车床的PLC控制主程序梯形图。在PLC主程序中，首先把CNC送到IB3口的MST代码（BCD码）与63(3FH)相与，屏蔽掉I3.6、I3.7，并在M选通、S选通、T选通信号的作用下，分别将M代码转存到MB1，S代码转存到MB2，T代码转存到MB3；然后，无条件（SM0.0）调用主轴控制子程序、液压卡盘和液压尾座控制子程序、冷却和润滑控制子程序、换刀控制子程序、急停和进给保持控制子程序。,图7.21 数控车床PLC控制主程序梯形图,2主要子程序（1）液压卡盘和液压尾座控制子程序 如图7.22所示，是液压卡盘和液压尾座控制子程序梯形图，这两种动作的控制都是在手动JOG(I2.5)方式下进行的。液压卡盘的夹紧和松开是由一个脚踏开关SQ7控制的，第一次踩踏时夹紧，第二次踩踏时松开，因此限将这个开关的闭合信号转换成脉冲信号M0.3，然后用M0.3脉冲去置位Q1.0、复位Q1.1，或者复位Q1.0、置位Q1.1。,图7.22 数控车床液压卡盘、液压尾座控制PLC子程序梯形图,液压尾座的伸出和退回由按钮SB6(I0.1)、SB7(I0.2)、SB8(I0.3)控制的。按下连续左按钮I0.1，尾座伸出Q1.0有效并自锁，同时解除Q1.1，尾座连续伸出。按下点动左按钮I0.2，尾座伸出Q1.0有效，同时解除Q1.1，尾座伸出；放开I0.2后尾座伸出Q1.0解除，尾座停止。按下连续右按钮I0.3，尾座退回Q1.1有效并自锁，同时解除Q1.0，尾座连续退回。,（2）冷却和润滑控制子程序 如图7.23所示，是冷却和润滑控制子程序梯形图。冷却液的开/关由手动旋钮SA2(I0.0)和M功能指令M08、M09共同控制。自动方式（I2.5=0）时，在M选通信号的作用下，判断MB1的值，如果等于08则置位M0.2，如果等于09则复位M0.2；手动旋钮SA2闭合(I0.0=1)或者M0.2=1时，开启冷却Q0.2。润滑泵的启动/停止由定时器T37（10秒钟）、T38（30分钟）控制，在无急停报警的情况下，每30分钟润滑一次，每次10秒钟。,图7.23 数控车床冷却和润滑控制PLC子程序梯形图,（3）换刀控制子程序 如图7.24所示，是自动换刀控制子程序梯形图。在这个梯形图中，用字节传送指令将当前刀位开关信号(I1.0I1.3)转换成当前刀号代码()存放到MB4中；当执行换刀指令时，在T选通信号的作用下，将指令刀号MB5与当前刀号MB4进行比较，如果不相等则置位Q0.3、复位Q0.4，刀架电机正转，刀架开始旋转；当转到预定的刀位时，当前刀号MB4与指令刀号MB3相等，复位Q0.3，刀架停止正转，在Q0.3闭合脉冲的作用下，置位Q0.4，刀架电机开始反转，刀架下降锁紧，定时器T40延时4秒钟后，复位Q0.4，换刀动作结束。,图7.24 数控车床换刀控制PLC子程序梯形图,（4）主轴控制子程序 如图7.25所示，是主轴启动/停止和换档变速控制子程序梯形图。首先执行S指令，指定速度档，然后执行M03指令，置位M0.1，根据S指令代码MB2不同，产生相应的输出组合（Q0.0、Q0.1、Q1.4、Q1.5），从而启动主轴按预定的转速运转。当执行M05、M30（MB1=48）指令，或者NC复位急停时，复位M0.1，主轴停止并接通刹车制动电磁铁（Q1.6）制动，制动2秒钟后，定时器T41动作，释放制动电磁铁。,图7.25 数控车床主轴控制PLC子程序梯形图,（5）急停、进给保持控制子程序 如图7.26所示，是急停处理和进给保持处理子程序梯形图。急停和进给保持是PLC送给CNC的辅助控制反馈、同步信号，用来反馈辅助控制信息，同步NC程序的执行 当出现X轴越限、Z轴越限、油泵过载、主轴过载或者伺服电机过热时，发出急停控制信号Q2.5，通知CNC进行急停处理。在换刀（Q0.3=1或Q0.4=1）期间，或者在自动工作方式而主轴还没有启动的情况下，向CNC发进给保持信号（Q2.6），使CNC锁定进给，保证机床安全。,图7.26 数控车床急停、进给保持控制PLC子程序梯形图,通过对上述应用实例分析，可以清楚地看出独立型PLC与CNC装置之间、PLC与机床侧的开关量之间的I/O连接关系；并通过PLC程序设计，使CNC装置、PLC和数控机床三者紧密结合在了一起，形成一个有机整体，从而控制数控机床有条不紊地工作。,7.4 数控系统中PLC的信息交换及M、S、T功能的实现,基本概念 数控系统中PLC的信息交换，就是以PLC为中心，在CNC、PLC和机床之间的信息传递。PLC通过信息交换，接受CNC的命令信息，实现辅助功能的控制；并把逻辑控制的结果信息，送回CNC装置，以同步零件程序的执行。,PLC与CNC之间交换的信息分两个方向进行，其中由CNC发给PLC的信息主要包括各种功能代码M、S、T的信息，手动/自动方式信息，各种使能信息等。而由PLC发给CNC的信息主要包括M、S、T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。,同样，PLC与机床之间交换的信息也分为两部分。由PLC向机床发送的信息主要是控制机床的执行元件，如电磁阀、接触器、继电器的通/断电，以及各种状态指示和故障报警等。而由机床向PLC发送的信息，主要包括机床操作面板上各种开关、按钮等信号，以及各运动部件的限位信息。例如机床的起动/停止、主轴正转/反转/停止、冷却液的开/关、倍率选择、各坐标轴点动以及刀架卡盘夹紧/松开等信息，还有各运动部件的限位开关，主轴状态监视信号和伺服系统运行准备信号等。,7.4.2 内装型PLC及其信息交换 对于不同数控系统，所交换的信息内容、数量各有区别，但基本思路和作用是一样的。对于不带PLC的数控系统产品，其信息交换主要以开关量为主，并通过CNC与PLC之间的硬件I/O连接来实现。对于内装PLC的数控系统产品，不仅可通过开关量交换信息，而且可以通过内部寄存器、内部标志位等交换信息，而且在CNC与PLC之间无需硬件I/O连接，数据处理能力强，可靠性高，是数控系统发展的方向。,以内部带PLC的FAGOR 8025/8030数控系统为例，其内部输入/输出点数为41/24点，其PLC信息交换情况介绍如下。,1.资源配置 该系统内部与PLC有关的信号流向及与外部的连接如图7.27所示。其中输入信号I42I104是CNCPLC的内部开关量信号，O25O64是PLCCNC的内部开关量信号。另外，输入信号I1I41是机床PLC的外部开关量信号，O1O24是PLC机床的外部开关量信号。,I/O1、I/O2、I/O3式安装在FAGOR 8025/8030 CNC背部的3个连接器，用来输入/输出CNC和PLC的信号。I/O3上有CNC模拟电压输出，为主轴和6个进给轴的伺服系统提供模拟控制电压。O1O24共24个外部输出信号全部安排在I/O1上；而I1I41共41个外部输入信号分散安排在三个连接器上，其中I/O1上有8个输入信号，I/O2上有32个输入信号，I/O3上有个输入信号。,图7.27,除了上述CNC与PLC之间、PLC与机床之间的开关量I/O信号之外，FAGOR 8025/8030数控系统的PLC还有以下内部资源：2047个标志器(内部继电器)；255个16位寄存器；32个计时器(可选择计时范围10ms655s)6个计数器(可逆计数范围-32768+32767或065535)。,2.内部资源功能描述(1)PLC的内部开关量输入 PLC共有104个开关量输入信号，用字母“I”后跟随数字编号表示，如I1、I16等。其中I1I41为41个外部开关量输入信号，通过三个连接器与机床上的有关开关相连。另外，还有63个内部逻辑输入信号，通过内部公共存储器单元由CNC传送给PLC，其编号对应为I42I104，其功能含义如表7.2所示。,表7.2 PLC内部开关量输入信号,(2)PLC的内部开关量输出 PLC共有64个开关量输出信号，用字母“O”后跟随数字编号表示，如O1、O16等。其中O1O24为24个外部开关量输出信号，通过连接器I/O1与机床上的执行元件（电磁阀、接触器、继电器等）相连。另外，还有40个内部逻辑输出信号，通过内部公共存储器单元由PLC传送给CNC，其编号对应为O25O64，其功能含义如表7.3所示。,表7.3 PLC内部开关量输出信号,（3）PLC的标志器 标志器(内部继电器)实质上就是存储器的二进制位，共有2047个标志器，用字母“M”后跟随数字编号表示，如M1、M102等。由于PLC都配有后备电池，这样当电源关断时标志器中的逻辑状态仍然保持不变，如果希望启动时初始状态为0，则可用指令来予以清除。,标志器分为两大类，一类是具有预定的用途的；另一类是允许用户使用的。具体分配如下：M1M512 供用户使用 M1801M1964 用于与CNC进行数据交换 M2001M2003 算术符号标志器 M2009M2024 时钟标志器 M2046M2047 预置标志器,（4）PLC的寄存器 标志器(内部继电器)实质上就是存储器的二进制位，共有2047个标志器，用字母“M”后跟随数字编号表示，如M1、M102等。由于PLC都配有后备电池，这样当电源关断时标志器中的逻辑状态仍然保持不变，如果希望启动时初始状态为0，则可用指令来予以清除。标志器分为两大类，一类是具有预定的用途的，另一类是允许用户使用的。具体分配如下：,寄存器用于存放数据信息，其编号用字母“R”后跟随数字来表示。如R1、R105等。每个寄存器均为16位，允许存放数据范围为-32768+32767(带符号)或065535(不带符号)。其中部分数据寄存器的分配如下：R1R100 可供用户使用的寄存器 R101R164 用于与CNC进行数据交换 R201R203 用于与CNC进行数据交换,4.CNC与PLC之间的信息交换 PLC除了通过前面介绍的内部输入(I42I104)、内部输出(O25O64)端口与CNC之间进行信息交换外，还可以通过如下标志器、寄存器来实现与CNC交换数据的目的。,(1)通过激活标志器，在CNC中产生报警、提示信息。PLC运行时，可通过置位标志器M1801M1899，在CNC中产生199号相关的信息，并在CRT上进行显示。反之，清零标志器M1801M1899，则相应信息被取消，CRT上显示也消失。例如，假设PLC程序中编有指令：I12M1845，则表示当外部输入信号I12由低电平变为高电平(上升沿有效)时，就将相应标志器置位，即M1845=“1”，因而在CNC中产生第45号信息，并在CRT上进行显示。反之，当输入脉冲信号I12由高电平变成低电平(下降沿)时，则相应45号信息消失。,可见，PLC中有99个标志器(M1801M1899)可与CNC中99条信息相对应。一般情况下，CNC中前面的25个信息(对应标志器M1801M1825)为关键信息，它们表