PLC在数控机床中的应用

江西理工大学13届专科生毕业论文

江 西 理 工 大 学 南 昌 校 区 毕 业 设 计（论文） 题 目：PLC在数控机床中的应用 系 ：机电工程系 专 业：机电一体化 班 级：机电一体化2班 学 生：陈永方 学 号：10312211 指导教师：张乐平 职称：副教授

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毕 业 论 文 任 务 书

题 目：PLC在数控机床中的应用探讨 原始依据：

可编程控制器(PLC)是近几十年才形成和发展起来的一种新型工业控制装置,因其较高的性价比、强大功能等诸多优点，近些年来在工业自动控制领域应用愈来愈广。

随着数控机床的发展需要，PLC广泛应用于数控机床中。其在数控机床中的作用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。它可以取代传统的低压控制电器从而实现逻辑顺序动作控制、计数和算术运算等各种操作功能。同时也使数控机床的结构更紧凑，响应速度和可靠性也大大提高！

数控机床中PLC的作用是接受CNC发送的指令，对其译码并转化成对应的控制信号，同时接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床动作。随着数控系统的可靠性越来越高，其电气控制部分的故障率要比数控系统的故障率高得多，而数控机床的大部分电气故障都会在PLC程序上得到反映，所以通过PLC程序进行数控机床的故障诊断是一种非常有效的方法。维修人员如果能够了解PLC输入输出接口的含义、PLC程序的逻辑功能，就会准确地判断出数控机床电气控制部分的故障原因，给维修带来很大的方便。

本论文将依据各位学者专家的著作和研究成果就“PLC在数控机床的主轴和故障诊断中的应用”的相关问题展开探讨，以提升进一步对数控机床的PLC系统的理解。

主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）： (1)设计（研究）内容： 一、绪论

1.1PLC简介

1.2PLC在数控机床中的发展方向 二、PLC在数控机床中的应用 2.1PLC在数控机床中的作用

2.2数控机床上应用的PLC的分类 三、PLC在数控机床主轴几点应用 3.1PLC实现主轴的自动换挡

3.2PLC在控制机床主轴制动改造中的应用

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3.3PLC在数控机床系统的故障诊断的应用

四、基于数控机床PLC控制系统的设计

4.1PLC系统的设计流程和方法

4.2立式车床中PLC控制系统的设计 (2)主要指标和具体要求：

1、查阅课题相关文献15篇以上（期刊5篇以上），并注明出处。 2、在图书馆阅读PLC在数控机床中应用方面书籍，收集相关内容。

3、完成毕业论文，主要内容包括：论文背景、意义、总体思路、理论依据、设计方法、解决手段、重点及难点。

4、按照进度进行设计，不无故拖延，按时完成毕业设计所规定的任务。 5、通过本次学习和论文的写作对PLC在数控机床中应用有较深的理解

日程安排：

第一阶段：相关文献资料的收集整理， 1.5周； 第二阶段：论文的初步撰写， 1.5周； 第三阶段：论文的改进及验证， 5天； 第四阶段：老师评阅及答辩 ， 2 天。 参考文献：

[1] 张华宇、谢风芹 、丁鸿昌等.《数控机床电气及PLC控制技术》[M].北京：电子工业

出版社，2010

[2] 胡海清.刘雪雪.《PLC与自动生产线技术》[M].北京:北京理工大学出版社,2010 [3] 朱宽.张勇.《典型机床电气控制解析与PLC改造实例》[M].北京：机械工业出版社，

2011

[4] 王桂林.张鹏程.PLC在数控机床中的应用[J].商丘职业技术学院学报，2009,8

（2）:71～73

[5] 陈涛.PLC在数控机床中（CNC）的应用[J].新疆职业大学学报，2009.17（3:）：75～

76

[6] 董学勤，马红梅.PLC在数控机床中的应用及其故障排除[J].装备制造技术，

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[7] 朱楠.浅谈PLC在数控机床中的运用.制造业自动化[J].2012,34(9) :96～97 [8] 闫雪峰. 《数控机床电气控制》[M].北京：国防科技大学出版社，2008

[9] 李树勇. PLC控制系统及其通信技术在大型机床设备改造中的应用[D].硕士. 中国海

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[10] 陈卓张涛. PLC技术在数控机床电气控制中的应用[J]. 黑龙江科技信息. 2012(26) [11] 姚胜蓝. 基于数控机床PLC的远程监控与诊断系统研究[D]. 硕士. 上海交通大

学,2003

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[12] 许云理. PLC程序在数控机床故障诊断中的应用[J]. 制造技术与机床.2006（10）:

126～128

[13] 闰存富. PLC在数控机床故障诊断中的应用[J]. 煤矿机械. 2011,32(12): 260～

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[14] 路民. PLC在数控系统中的应用[J]. 科技创新与应用. 2012(16): 63～64 [15] 唐霞， 陈夏冰. 巧用PLC的I/O状态和梯形图现场诊断数控机床故障[J]. 机床与

液压. 2011,39(2)：140～141

指导教师签字： 教研室主任签字：

年 月 年 月 日 日

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毕 业 论 文 开 题 报 告

题 目：PLC在数控机床中的应用探讨 本课题来源及研究现状、发展趋势：

可编程控制器(PLC)是近几十年才形成和发展起来的一种新型工业控制装置,因其较高的性价比、强大功能等诸多优点，近些年来在工业自动控制领域应用愈来愈广。

随着数控机床的发展需要，PLC广泛应用于数控机床中。其在数控机床中的作用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。它可以取代传统的低压控制电器从而实现逻辑顺序动作控制、计数和算术运算等各种操作功能。同时也使数控机床的结构更紧凑，响应速度和可靠性也大大提高！

数控机床中PLC的作用是接受CNC发送的指令，对其译码并转化成对应的控制信号，同时接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床动作。随着数控系统的可靠性越来越高，其电气控制部分的故障率要比数控系统的故障率高得多，而数控机床的大部分电气故障都会在PLC程序上得到反映，所以通过PLC程序进行数控机床的故障诊断是一种非常有效的方法。维修人员如果能够了解PLC输入输出接口的含义、PLC程序的逻辑功能，就会准确地判断出数控机床电气控制部分的故障原因，给维修带来很大的方便。

未来PLC发展的重点及趋势：1.人机界面更加有好 2.网络通讯能力大大增强 3.开发性和操作性大大发展 4.功能进一步增强，应用范围越来越广

课题研究目标、内容、方法和手段：

本文主要探讨PLC在数控机床中的工作原理，PLC在数控机床中的应用形式，PLC在数控机床中安装和调试，PLC在数控机床中可靠性说明，及PLC在数控机床中的维护和故障诊断等。通过本论文以实现对PLC在数控机床中的理解、运用、系统设计、维护和故障处理的能力。 本论文可通过以下手段进行:

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型的机械或生产过程。

PLC主要有CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成，如图所示。有的PLC还可以配备特殊功能模块，用来完成对操作面板、机床外部开关输入信号、输出信号等的控制功能

1.按钮 2.选择开关 3.限位开关 4.电源 5.接触器 6.电磁阀 7.指示灯 8.电源

图1-1 PLC的基本组成

1.CPU模块

CPU的模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，他不断采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存续乎其用来储存程序和数据。

2.I/O模块

输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，他们相当于系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接収和采集输入信号，开关量输入模块用来接収从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变速器的连续变化的模拟量电流、电压信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装

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置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。

CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖峰电流和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器的器件来隔离PLC内部电路和外部I/O电路，I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

3.编程器

编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。手持编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。

使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC ，也可以将PLC的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。

4.电源

PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V，正负12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以作为输入电路和外部的电子传感器（如接近开关）提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。

1.2 PLC在数控机床中的发展方向

1. 国内外PLC的现状

目前，全世界约有PLC生产厂家约200家，生产300多个品种。全球PLC发运件数1998年为1456万件，1999年为1620万件，2000年达到1778万件。在1995年发运的PLC中，按最终用户分：汽车占23％，粮食加工占16.4%，化学药品占14.6%金属、矿山占11.5％，纸浆、造纸占11.3％，其他占

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23.2％，PLC逐渐成为占自动化装置及过程控制系统最大市场份额的产品。2000年PLC的销售额在控制市场份额中超过50％。在全球PLC制造商中，世界PLC主要生产厂家分别是Siemens(西门子)公司、Allen-Bradley(A—B)公司、Schneider(施耐德)公司、Mitsubishi(三菱)公司、OMRON(欧姆龙)公司，他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。

我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产，中型PLC已有产品，大型PLC已经开始研制。有的产品不仅供应国内市场，而且还有出口。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，但是国内产品市场占有率不超过10％，另一方面，国产PLC许多仍停留在全套引进或以仿制为主的阶段上，这种方式在研究开始是必要的，但是停留在这个水平上是绝对不可取的。当然，国内产品在价格上占有明显的优势。总体来说，国产PLC的发展有一定的基础。但从产品结构上看，我国自主研制及引进技术生产的PLC大都属于中低档产品，至今没有形成主流产品和完整的系列产品。

2.PLC的发展趋势

自60年代未引入PLC技术以来，PLC由最初的只能处理丌关量而发展到可以处理模拟量和数据，以后又与其他技术相结合，利用其不同的性能和特点，相互渗透和融合、集成以及网络化，构成各种新型的自动控制系统，以满足各种自动控制的要求。总体来讲，PLC的发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）微型、小型PLC功能明显增强

很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。三菱的FXOSl4(8个24VDC输入，6个继电器输出)，其尺寸仅为58mmx89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 （2）向开放型转变，编程语言多样化

传统PLC存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种PLC互不兼容。国际电工协会(IEC)在1993年颁布了《可编程序控制器的编程软件标准》，为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。我国也在1995按照这个标准制定了可编程控制器

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的国家标准。《可编程序控制器的编程软件标准规定了5种编程语言(我国国家标准中也遵守此规定)：梯形图(LD，美、日)，顺序功能图(SFC，欧洲)，功能块图(FBD，欧洲)，结构文本(ST)和指令表(IL德、曰)。为适合不同应用场合和不同国家应用习惯的要求，允许在同一个PLC程序中使用多种编程语言。 （3）向集成化、通讯化、网络化发展

由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，并强化了通讯能力和网络化。网络化和强化通信能力是PLC的重要发展方向。尤其是以PC为基础的控制产品增长率最快。PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人一机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基础的控制方法使得用户编程更加方便，而且提供开放的体系结构，用户可以根据需要选择各类、各厂家的PLC或I/O设备进行互联，从而可以降低生成成本和提高生产率。 （4）PLC的新进展——软PLC

计算机软、硬件技术的迅速发展，推动了自动控制技术又耿得了一系列新的进展。目前有许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向以计算机为平台的控制方式。德国工业界最新推出了以计算机为平台的SOFTPLC，可以说是这方面的优秀代表。软PLC又有人称作“PCPLC”、“嵌入式PLC”，顾名思义，软PLC实际利用软件来实现传统PLC的功能。SOFTPLC最大的优势是具备柔性扩展能力，用户可以选择不同厂家生产的各种硬件产品，充分利用每一软件的最佳特性，组成最佳的控制系统。同时与硬件的连接也十分方便。有很多的I／O卡可以直接内连接到SOFTPLC计算机总线上。从而在软、硬件两方面可以达到工控机和PLC性能的完美结合，方便了性能扩展和人机交流，是PLC未来的一大发展趋势。

第二章 PLC在数控机床的应用原理

2.1PLC在数控机床中的作用

各类数控机床的任务可分为两大类：一类是实现刀具相对工件各坐标轴几何运动规律的数字控制，这个任务由计算机数控装置实现；另一类是辅助机械动作的顺序控制，它是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床各

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操作开关实际运行的信号状态，按照预先规定的逻辑顺序，对诸如主轴转（L 功能），刀库管理（T功能），主轴启动、停止、换向，工件的夹紧、松开，冷却液系统（V功能）的运行等功能的实现，这类任务由可编程控制器（PLC）来实现。数控机床所用PLC可分为两种类型。一种类型是PLC独立于CNC装置，有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务，以满足数控机床或其它顺序控制领域要求的“通用型”PLC；另一种类型是专为实现数控机床顺序控制而设计、制造的“内装型”PLC，它从属于CNC装置，与CNC共用计算机硬件资源，PLC和CNC之间的信号传送在计算机内部即可完成。 数控机床中PLC的作用主要有以下两点：

1.PLC是数控系统与数控机床间的信息交换的桥梁

相对于PLC，机床和CNC就是外部, PLC与机床以及CNC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：

(1)机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。

（2）PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。 （3）CNC至PLC：CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由CNC 厂家确定，PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T 功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存 器中。

（4） PLC至CNC：PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定，PLC 编程者只可使用，不可改变和增删。

2. PLC在数控机床中的某些控制功能

（1）对操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入CNC，再由CNC送到PLC，来控制数控机床的运行。而机床操作面板控制信号，是直接进入PLC，从而控制机床的运行。 （2）控制机床外部开关输入信号。机床侧的开关信号输入到PLC，进行逻

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辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号。

（3）对输出信号进行控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。

（4）功能实现。系统给出T指令到PLC，经过译码，会在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与主轴刀号来比较。如果不符合，会发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统会发出完成信号。

（5）M功能实现。系统给出M指令到PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。

2.2数控机床上应用的PLC的分类

数控机床中所应用 PLC 可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC；另一类是I/O 信号接口技术规范、I/O 点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的独立型PLC。

1.内装型PLC

内装型PLC(或称内含型PLC、集成式PLC)从属于CNC 装置，PLC 与NC 间的信号传送在CNC 装置内部即可实现。PLC 与机床(简称MT)之间则通过CNC I/O 接口电路实现信号传送。如图2-1 所示为具有内装型PLC 的CNC 机床系统框图。

内装型 PLC 有如下特点：

(1) 内装型PLC 实际上是CNC 装置带有的PLC 功能，一般作为一种基本的或可选择的功能提供给用户。

(2) 内装型PLC 的性能指标(如：I/O 点数，程序最大步数，每步执行时间、程序扫描周期、功能指令数目等)是根据所从属的CNC 系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。其硬件和软件部分是被作为CNC 系统的基本功能或附加功能与CNC 系统其他功能一起统一设计、制造的。因此，系统硬件和软件整体结构十分紧凑，且PLC 所具有的功能针对性强，技术指标亦较合理、实用，尤其适用于单机数控设备的应用场合。

(3) 在系统的具体结构上，内装型PLC 可与CNC 系统共用CPU，也可以单

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独使用一个CPU；硬件控制电路可与CNC 系统其他电路制作在同一块印制电路板上，也可以单独制成一块附加板，当CNC 装置需要附加PLC 功能时，再将此附加板插装到CNC 装置上，内装PLC 一般不单独配置I/O 接口电路，而是使用CNC 系统本身的I/O电路。PLC控制电路及部分I/O 电路(一般为输入电路)所用电源由CNC 装置提供，不需另备电源。

图 2-1 具有内装型PLC的CNC机床系统框图

(4) 采用内装型PLC 结构，CNC 系统可以具有某些高级的控制功能。如：梯形图编辑和传送功能，在CNC 系统内部直接处理NC 窗口的大量信息等。 国内常见外国公司生产的带有内装型PLC 的系统有：FANUC 公司的FS—0(PMC—L/M)、FS—0 Mate(PMC—L/M)、FS—3(PLC—D)、FS—6(PLC—A、PLC—B)、FS—10/11(PMC—1)、FS—15(PMC—N)，SIEMENS 公司的SINUMERIK 810、SINUMERIK 820，A-B公司的8200、8400、8600 等。

2. 独立型PLC

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独立型PLC 又称通用型PLC。独立型PLC 是独立于CNC 装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。如图2.21 所示为具有独立型PLC 的CNC机床系统框图。

独立型PLC 有如下特点：

(1) 独立型PLC 具有如下基本的功能结构：CPU 及其控制电路、系统程序存储器、用户程序存储器、I/O接口电路、与编程机等外部设备通信的接口和电源等。

(2) 独立型PLC 一般采用积木式模块化结构或笼式插板式结构，各功能电路多做成独立的模块或印制电路板，具有安装方便，功能易于扩展和变更等优点。例如，可采用通信模块与外部I/O 设备、编程设备、上位机、下位机等进行数据交换；采用D/A 模块可以对外部伺服装置直接进行控制；采用计数模块可以对加工工件数量、刀具使用次数、回转体回转分度数等进行检测和控制，采用定位模块可以直接对诸如刀库、转台、直线运动轴等机械运动部件或装置进行控制。

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图 2-2 具有独立型PLC 的CNC 机床系统框图

(3) 独立型PLC 的输入/输出点数可以通过I/O 模块或插板的增减灵活配置。有的独立型PLC 还可通过多个远程终端连接器构成有大量输入/输出点的网络，以实现大范围的集中控制。

在独立型PLC 中，那些专为用于FMS、FA 而开发的独立型PLC 具有强大的数据处理、通信和诊断功能，主要用作“单元控制器”，是现代自动化生产制造系统重要的控制装置。独立型PLC 也用于单机控制。国外有些数控机床制造厂家，或是为了展示自己长期形成的技术特色，或是为了对某些技术绝窍进行保密，或纯粹是因管理上的需要，在购进的CNC系统中，舍弃了PLC 功能，而采用外购或自行开发的独立型PLC 作控制器，这种情况在从日本、欧美引进的数控机床中屡见不鲜。

国内已引进应用的独立型PLC 有：SIEMENS 公司的SIMATI C S5 系列产品，A-B公司的PLC 系列产品，FANUC公司的PMC—J 等。

第三章PLC在数控机床中的应用

3.1.PLC实现主轴的自动换挡

主轴是机床高速旋转的运动机构，是机床的关键部件，其性能直接影响零件的加工质量。在实际加工过程中，对于不同的材料为了保证零件的表面粗糙度、形位公差及切削力等，需要主轴有不同的转速。主轴的变速一般采用电控或变速箱来实现。电控主轴直接采用变频系统控制主轴的转速，而主轴变速箱则采用不同的齿轮组合实现几挡不同转速的控制。许多机床采用主轴变速箱形式。主轴的转速与输出功率必须配套，如果用单一的齿轮比，虽然可以改变主轴转速，但不可能充分利用主轴电机的功率。为了兼顾主轴的转速与功率，必须采用不同的齿轮组合。

下面是以一台经改造的五坐标数控龙门铣床，其主轴采用变速箱变速，控制系统为西门子SINUMERIK 840C数控系统 ，坐标及主轴驱动采用西门子

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SIMODRIVER 611A。根据该机床的主轴换挡结构，结合控制系统的特点，通过内置式PLC控制程序，对主轴换挡进行了自动控制处理。

1.主轴换挡机构

该机床的主轴换挡机构由两个双向电磁阀控制两个油缸，分别推动两个齿轮组上下移动，每组齿轮有上下两个位置，变换齿轮变速比，产生4挡转速。在主轴箱内安装了4个挡位检测开关（SW1～SW4）。压力继电器（PS1）检测换挡液压压力。

2.控制系统的信号与数据接口

控制系统由NCK和PLC模块组成，它们之间靠数据块传递消息。机床的输入输出点接入PLC的输入输出模块中。NC系统给主轴发出速度指令电压。系统主轴数据块中存放有主轴换挡的有关数据，通过PLC程序，对这些数据进行实时操作。系统可以有8挡转速控制。该机床采用了其中4挡，相邻挡位间可以存在转速的交叉。

为实现主轴的自动换挡，在机床数据中预先设置了主轴4个换挡转速范围,NC控制系统依据不同的挡位给主轴驱动装置发出不同的指令电压，对应主轴电机不同的转速。

输入信号：挡位检测信号，换挡液压压力，主轴电机停转。 输出信号：换挡电磁阀，电机驱动指令电压。

系统主轴数据块包含摆动速度、摆动频率、内置换挡范围、当前挡位、换挡命令、目标挡位、换挡结束标志、主轴电机运行状态、主轴禁止和主轴PLC控制等数据。

3.主轴自动换挡的PLC实现

主轴换挡的控制过程是在PLC中实现的。PLC接受到NCK发出的换挡命令，先检查主轴电机是否处于停转状态，如果未停，PLC向主轴发“主轴禁止”命令，使主轴停止。PLC设定一个特定定时器，根据目标挡位，给相应的换挡液压油缸发出输出命令，推动相应的齿轮运动。同时，启动主轴摆动模式，设置摆动频率，使齿轮在移动中啮合。定时器定时到了以后，PLC检测相应的挡位开关是否生效，如果生效，说明换挡齿轮啮合到位，同时上报NCK换挡生效，并向数据块填写“当前挡位”。此时，主轴自动进入下一挡转速。否则，PLC进行错误报警处理。

在PLC设计中，必须注意的是：

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对所学知识的应用能力和大学所学理论知识对实践技能相结合的全面的检验。并对我们如何根据要做的课题对现有的资料进行理解和运用的能力考核。在这次设计中我运用前面所学的知识综合贯通进行实践，并在实践中不断学习和自我完善。同时，在本次毕业设计中也深深认识到了自己的各个方面的不足之处.

这次的毕业设计让我学到了一些我平常无法学到的知识，更主要的是我学会了通过一些渠道寻找我所需要的资料，更扩大了我的知识面和独立性！让我知道怎样去应对一些实际的问题。在以后的工作中，我也会进一步在实践中去丰富理论，完善知识结构。

参考文献：

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图3-2数据车床尾架套筒PLC输入

故障诊断：在系统诊断状态下，调出PLC输入信号，发现脚踏尾座开关输入X04.2为“1”，尾座套筒转换开关X17.3为“1”，润滑油液面开关X17.6为“1”。调出PLC输出信号，当脚踏尾座开关被压下时，输出Y49.0为“1”，同时电磁阀也得电。这说明系统PLC输入/输出状态均正常，分析尾座套筒液压系统的故障可能性较大。

当电磁阀YV4.1得电后，液压油经溢流阀、流量控制阀和单向阀进入尾座套筒液压缸，使其向前顶紧工件。松开脚踏尾座开关后，电磁阀处于中间位置，油路停止供油。由于单向阀的作用，尾座套筒向前时的油压得到保持，该油压使压力继电器常开触点接通，在系统PLC输入信号中X00.2为“1”，但检查系统PLC输入信号X00.2为“0”，说明压力继电器有问题，经进一步检查发现其触点损坏。

（4）根据PLC的I/O状态诊断故障

数控机床中，输入/输出信号的传递一般都要通过PLC接口来实现，因此许多故障都会在PLC的I/O接口这个通道中反映出来。数控机床的这个特点为故障诊断提供了方便，不用万用表就可以知道信号的状态，但要熟悉有关控制对象的正常状态和故障状态。

（5）通过梯形图诊断故障

根据PLC的梯形图分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法，用这种方法诊断机床故障首先应搞清机床的工作原理、动作顺序和连锁关系，

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然后利用系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据PLC梯形图查看相关的输入/输出及标志位的状态，从而确定故障原因。

维修实例3：配备SIN810数控系统的加工中心，出现分度工作台不分度的故障且无报警。

根据工作原理，分度的齿条和齿轮啮合，这个动作是靠液压装置来完成的，由PLC输出Q1.4控制电磁阀YVl4来执行。PLC相关部分的梯形图如图3-3。

通过数控系统的DIAGNOSIS中的“STATUS PLC”软键，实时查看Q1.4的状态，发现其状态为“0”；由PLC梯形图查看F123.0也为“0”，按梯形图逐个检查，发现F105.2为“0”，导致F123.0为“0”；根据梯形图查看STATUS PLC中的输入信号，发现IlO.2为“0”从而导致F105.2为“0”。19.3、19.4、110.2、IlO.3为4个接近开关的检测信号，以检测齿条和齿轮是否啮合。分度时，这4个接近开关都应有信号，即都应闭合，现发现110.2未闭合。处理方法：检查机械部分确认机械是否到位；检查接近开关是否损坏。根据这个线索继续查看，最后发现反映二、三工位分度头起始位置检测开关19.4、110.2动作不同步，导致了工作台不旋转。进一步确认为三工位分度头产生机械错位。调整机械装置，使其与二工位同步后，故障消除。

图3-3 故障机床PLC相关部分梯形图

（6）动态跟踪梯形图诊断故障

有些数控系统带有梯形图监控功能，调出梯形图画面，即可以看到输入/输出点的状态和梯形图执行的动态过程，有的系统则需要机外编程器才能在线监

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控程序的运行。有些PLC在发生故障时，因过程变化快，查看I/O及标志无法跟踪。此时需要通过PLC动态跟踪，实时观察I/O及标志位状态的瞬间变化，根据PLC的工作原理作出诊断。

第四章数控机床中PLC系统的设计

4.1机床控制程序的设计流程和方法

目前数控机床特别是通用数控机床的各项功能，如主轴控制、车床刀架转位、加工中心到库换刀、润滑、冷却的启动等均以标准化，各种数控系统一般都是内置或提供满足这些功能的PLC程序。采用独立型PLC时，一般厂家会提供满足通用机床要求的PLC程序。因此，设计PLC最重要的方法就是详细了解并参考系统提供的标准PLC程序。

1.机床控制程序的设计流程如图4-1所示

（1）首先要确定所控制的机床与PLC的之间的输入、输出信号，确定哪些

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机床信号需要输入给PLC，哪些从PLC输出给数控机床（如继电器线圈，指示灯以及其他的执行电路），从而计算出对于PLC的输入、输出线的数目。

图4-1 机床控制程序的设计流程图

（2）根据所控制的机床，估算出所要求的PLC的存贮器的容量。存储器容量视机床的复杂程度而定，一般，数控车床约1000步，小型加工中心约1500步，复杂、型的加工中心约5000步。

（3）根据所确定的输入、输出线的数目和所估算的PLC存贮器量，以及所选用的数控系统，选用适配的PLC。不同的数控系统，与之配用的PLC也不同。如发那科的6T/6M数控系统要配用发那科的PC-B，而发那科的3T/3M数控系统则要配用发那科的PC-D。西门子公司的SINUMERIK 3T/3M要配用西门子公司的S5-130W(B)型PLC等等。

（4）制作PLC的地址表。根据PLC所给定的地址范围，对每个与PLC控制有关的信号赋予专用的信号名和地址。凡是输入给PLC的信号（如从机床输入

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给PLC或从NC输入给PLC）均称为PLC的输入，凡是从PLC输出的信号（如从PLC输出给机床或从PLC输出给NC）均称为PLC的输出。根据这个原则可以制作PLC的输入和输出地址表。另外，还控制继电器地址表、计时器地址表、计数器地址表、数据地址表以及保持继电器地址表等。

（5）制作梯形图。根据PLC所指定的表达方式和对机床的控制要求，制作梯形图。

（6）编写顺序程序。即用PLC的指令来描述梯形图的内容，以便于把梯形图上的顺序程序写入到存贮器中。

（7）写入顺序程序。写入顺序程序有好几种方法，如用编程器键盘写入，用纸带阅读机读入穿有顺序程序的纸带内容等。

（8）在确定顺序程序写入无误后，把顺序程序写入到EPROM中。 （9）把写有顺序程序的EPROM插到PLC板的指定位置上。

（10）调试顺序程序。可以用模拟装置代替机床，根据机床的状态，用开关状态的“闭合”和“断开”来模拟机床的输入信号，用灯的亮或灭来检查PLC的输出信号。

（11）经调试后，如果认为程序无误，则机床的控制程序的设计就完成了，如果程序有误，则应该修改程序后，再从第7步开始重复调试。直到认为程序无误为止。

2.PLC程序设计的常用方法主要有经验设计法和逻辑设计法。 （1）经验设计法

经验设计法实际上是在一些典型单元电路的基础上，根据被控对象控制系统的具体要求，不断地修改和完善梯形图。有时需要多次反复修改和调试梯形图后才能得到一个较为满意的结果。用这种方法对比较简单的控制过程进行设计，可以收到简便、快速的效果。但由于主要依赖经验进行设计，因而要求设计者具有较丰富的经验，需要掌握、熟悉大量控制系统的实例和各种典型环节。这种方法较灵活，其结果一般不是唯一的。用经验设计法设计PLC应用的电控系统程序与任何其他方法一样，首先必须详细了解机械及工艺的控制要

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