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1、1,第四章 数控系统的逻辑控制与通信,4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2 PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数控机床通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口,2,4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2 PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数控机床通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口,3,1968年，美国通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合
2、于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，使不熟悉计算机的人能方便地使用。 1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。,4.1 数控系统的PLC原理,4,4.1.1 PLC的结构组成和工作原理,一、结构组成 一般由CPU、存储器、输入/输出接口模块、外围接口模块及编程器、扩展接口和扩展模块等可选部件几大部分组成，如下所示：,4.1 数控系统的PLC原理,5,整体式PLC,扩展模块,输入端子,输出端子,编程器,4.1 数控系统的PLC原理,6,模块式PLC,4.1 数控系
3、统的PLC原理,7,二、PLC的编程语言,3.3 可编程控制器PLC简介,不熟悉计算机的机械工程师,8,指令语言,执行顺序： 从上到下、从左到右,LD X1 OR Y1 ANI X2 OUT Y1 LD Y1 AND X3 OUT T1 K15 LD T1 OUT Y2,4.1 数控系统的PLC原理,9,三、PLC梯形图的设计原理,关键：用串行执行的程序，来模拟并行电路，只能将连续变量离散处理，截取某一时刻的状态，作为输入的映像，按用户设计逻辑，计算该时刻输出的映像，在运算过程中，输入的映像保持不变，每个程序循环周期结束，在将输出映像输出到状态锁存器，再次读输入端子的状态到到输入映像寄存器，进
4、行下个周期的运算。,4.1 数控系统的PLC原理,10,PLC控制程序的执行流程,4.1 数控系统的PLC原理,11,四、电器原理图和梯形图的差别, 220V,KM1,PB2,PB1,KM1,KM1,KT1,KM2,KT1,KA1,1. 电器原理图是并行电路。没有先后之分，而梯形图的执行是有先后顺序的，次序不同，执行结果不同。,2. 梯形图设计中加入了很多计算机语言类的运算指令和功能指令，使设计更灵活、方便。,3. 梯形图设计中输入、输出和软元件（内部辅助继电器）可无限次作为运算条件使用。,电器原理图,4.1 数控系统的PLC原理,12,4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2 PLC 在数
5、控机床上的应用 4. 3 数据通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口,13,随着电子技术的发展，PLC已发展成为工控领域中应用非常广泛通用控制器。除了原来开关量的逻辑控制，其控制功能已扩展到数据运算（包括浮点运算）、模拟量回路控制、运动控制等。并可实现自动化网络控制。其正式名称为“可编程序控制器”（Programable Controller）,简称PC。为避免和个人计算机混淆，大多数人仍称其为“PLC”。 数控系统的PLC有两种形式，一种是嵌入式PLC，一种是独立式PLC。 数控系统中，很多模拟量的控制（如温度、压力等）都是通过PLC的模拟量控制模块来实现的。有些数控系统的热误差补偿，就是
6、通过PLC来实现的。如西门子840D。,4.2 PLC 在数控机床上的应用,14,西门子840D的热误差补偿模块结构框图,4.2 PLC 在数控机床上的应用,15,K0(T)：与坐标位置无关的变形量（如主轴的膨胀、偏斜），随主轴温度、刀具长度的变化而变化。通过梯形图程序，建立变形量与温度、刀具参数的关系，实现热误差补偿。,与机床位置无关的热变形,与机床位置相关的热变形,4.2 PLC 在数控机床上的应用,16,一、PLC在数控机床上配置方式,PLC在机床侧代替传统的继电器逻辑系统，有m+n个输入输出点,PLC在CNC控制柜中，有m个输入输出点，元器件数目少，易于维修，成本低。,PLC在控制柜中
7、，输入输出接口在机床一侧，中间用一个光缆通信。,4.2 PLC 在数控机床上的应用,17,机床侧的开关量信号通过IO单元接口输入至PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。,二、PLC与外部的信息交换,1、机床到PLC(MTPLC),4.2 PLC 在数控机床上的应用,18,PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。 举例 在SINUMERIK 810数控系统中，机床侧某电磁阀的动作由PLC的输出信号来控制，设该信号用Q14来定义。该信号通过IO模块
8、和IO端子板输出至中间继电器线圈，继电器的触点又使电磁阀的线圈得电，从而控制电磁阀的动作。同样，Q14信号可在PLC STATUS状态下，通过观察QBl的第4位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效。,2、PLC到机床 (PLC MT),4.2 PLC 在数控机床上的应用,19,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。 举例 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。在SINUMERIK810数控系统中，M03指令经译码后，送入
9、FY273寄存器中。,3、CNC到PLC(CNC PLC),4.2 PLC 在数控机床上的应用,20,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。 举例 SINUMERIK 810数控系统中，Q108.5为PLC至CNC的进给使能信号。,4、PLC到CNC (PLC CNC),4.2 PLC 在数控机床上的应用,21,主轴转速可以用S 2位代码或S 4位代码直接指定。例如某数控机床的主轴最高转速为4000rmin，最低转速为50rmin，若用S 4位代码，CNC送出S4位代码至PLC，将进行二十进
10、制数转换，然后进行限位。 当S代码大于4000时限制S为4000，当S代码小于50时，限制S为50，此数值送到DA转换器，转换成504000rmin相对应的输出电压，作为转速指令控制主轴的转速； 若用S2位代码指定主轴的转速，应首先制定S2位代码与主轴转速的对应表，CNC输出S2位代码进入PLC，经过一系列处理，很容易实现对主轴转速的控制。,三、数控机床的PLC功能,1、S功能处理,4.2 PLC 在数控机床上的应用,22,数控机床通过PLC可管理刀库，特别是对加工中心的自动换刀带来了很大的方便。 处理的信息包括选刀方式，刀具累计使用的次数，刀具剩余寿命和刀具刃磨次数等。,2、T功能处理,3、
11、M功能处理,M功能是辅助功能，根据不同的M代码，可控制主轴的正、反转和停止，主轴齿轮箱的换档变速，主轴准停，切削液的开、关，卡盘的夹紧、松开及换刀机械手的取刀、归刀等动作。,4.2 PLC 在数控机床上的应用,23,4. 1 数控系统的PLC 原理 4. 2 PLC 在数控机床上的应用 4. 3 数控机床通信及接口 4. 4 高速伺服总线及接口,24,4. 3 数控机床通信及接口,4.3.1 机床I/O接口,功能：用来接收机床操作面板上的开关、按钮 信号及机床的各种限位开关信号；且用 来把机床工作状态指示灯信号送到机床 操作面板，把控制机床动作的信号送到 接触器、电磁阀等执行元件。 要求：1）
12、进行必要电隔离，防止干扰信号串入， 防止高压串入对 CNC装置的损坏； 2）进行电平转换和功率放大。,25,1. 输入接口电路设计,输入接口形式： a) 隔离型、非隔离型 b) 直流、交流 直流隔离型：源型、漏型,漏型 无触点开关,源型 无触点开关,单向光耦,双向光耦,高速光耦,4. 3 数控机床通信及接口,26,输入接口电路,漏型输入接口典型电路,4. 3 数控机床通信及接口,27,输入接口电路,源型输入接口典型电路,4. 3 数控机床通信及接口,28,总线输入缓冲电路,4. 3 数控机床通信及接口,29,触点输入电路的防抖与滤波,机械开关又成为有触点开关,在开关的闭合和断开过程中，由于机械
13、弹簧的作用，普遍存在抖动现象。 “去抖”方法： 1. 硬件滤波：滤波时间常数固定，软件简单。 2. 软件滤波：滤波时间常数可设，应用灵活，程序复杂。 3. 定周期扫描：一种最简单的软件滤波。,4. 3 数控机床通信及接口,30,光耦的响应延时,适当减小光耦回路中的电流，可减小tOFF 总电流保持不变，保证抗干扰性。,4. 3 数控机床通信及接口,31,高速光耦,可用于数字式位置反馈接口电路,4. 3 数控机床通信及接口,32,外部开关的选择,开关形式：常开、常闭 设计思路：当外部线路故障时，系统的安全性 限位开关、急停、停止、安全保护开关等应选择常闭开关。虽然这些开关非常重要，但仍属于低速信号
14、，尽量不要让它们占用系统的中断资源! 启动按钮等通常选择常开开关,4. 3 数控机床通信及接口,33,2 输出接口电路设计,类型： 1 继电器输出 控制电流一般2A；直流30V、交流220V；有触点类型，响应延时约10ms,触点寿命约100万次（与电流有关） 2 晶体管输出 用于直流控制回路，有源型和漏型之分；相应速度快，一般1ms；有发热现象，允许电流不大，一般0.5A 3 固态继电器（SSR）输出 有直流、交流之分；无触点；相应速度较快；有漏电流；,4. 3 数控机床通信及接口,34,输出锁存电路,4. 3 数控机床通信及接口,35,a) 光耦输出,驱动与隔离,尽量避免5V大电流直接驱动，
15、尽量采样光耦隔离。,特点： 响应速度快，抗干扰性好，简单，便宜。 可用于驱动小功率负载如：指示灯、伺服电机的控制信号、小型继电器等。,4. 3 数控机床通信及接口,36,b) 继电器输出驱动电路,3.4.1 机床I/O接口,特点：有触点类型，隔离性能好，触点允许电流较大，交直流都适用。 可用于驱动较大功率负载，如：接触器、电磁阀、灯泡等。,37,c) SSR输出电路,固态继电器内部有光耦隔离，通过输入信号电流控制输出，电流范围一般为：0.5 -20mA(因厂家而异)。,In+,In-,Out,Out,Vcc,SSR有直流和交流2种型式，交流型有过零型和调相型之分,过零型交流SSR控制波形,调相
16、型交流SSR控制波形,4. 3 数控机床通信及接口,38,SSR输出的特点： 无触点输出，没有火花，寿命长。 有一定的漏电流。 直流SSR的响应延时较小，交流关断延时较大。且延时时间不确定。 耐压要求较高，超过允许电压会导致SSR损坏。在驱动感性负载时，要注意增加RC吸收回路，减小感应电压，保护SSR。,4. 3 数控机床通信及接口,39,串行通信：将数据按顺序分解为一位（或几位，一般不大于4位）的序列，按顺序传送。 优点：传送线路简单，成本低，传送距离长 缺点：传送速度比并行通信低，通信协议复杂。 随着现代电子技术的发展，传送速度越来越快，应用越来越广泛。如RS232C、RS422、RS485、USB、1394、Profibus、SERCOS、各种网络等。,1. 串行通讯的一般概念,4.3.2 串行数据通信及接口,4. 3 数控机床通信及接口,并行通信: 数据的各位同时传送。 优点：传送
