基于PLC 的数控车床电气控制系统设计
课题： 毕业设计报告 基于PLC 的数控车床电气控制系统设计
系 部：电气工程系
专 业：机电一体化技术
班 级：机电112
姓 名：范宇
学 号：1102043210
指导老师：王志伟
2014.5
江苏信息职业技术学院毕业设计报告
目 录
摘要： . ................................................................................................................................................. 1
第一章 概 述 . ................................................................................................................................. 2
1.1数控系统的工作原理 ........................................................................................................... 2
1.1.1 数控系统的组成 .................................................................................................... 2
1.1.2 数控系统的工作原理 ............................................................................................ 3
1.2 PLC的硬件与工作原理 ....................................................................................................... 3
1.2.1 PLC简介 ................................................................................................................. 3
1.2.2 PLC的基本结构 ..................................................................................................... 4
1.2.3 PLC的工作原理 ..................................................................................................... 4
第二章 数控车床PLC ....................................................................................................................... 7
2.1 数控车床PLC 的信息传递 ................................................................................................ 7
2.2 数控车床中PLC 的功能 .................................................................................................... 7
2.2.1 PLC对辅助功能的处理 ......................................................................................... 7
2.2.2 PLC的控制对象 ..................................................................................................... 8
2.3 用PLC 实现车床电气控制系统的功能 ............................................................................ 8
2.4 利用PLC 代替继电器--接触器控制方式的优越性 .......................................................... 9
第三章 CK9930数控车床电气控制分析 ........................................................................................ 11
3.1 车床主要结构和运动形式 ................................................................................................. 11
3.2 车床对电气控制的要求 ................................................................................................... 11
3.3.1 主电路分析 .......................................................................................................... 13
3.3.2控制电路分析 ......................................................................................................... 13
第四章 PLC控制程序的设计 ......................................................................................................... 15
4.1 PLC程序设计方法 ............................................................................................................. 15
4.1.1 PLC的编程语言 ................................................................................................... 15
4.1.2 PLC程序设计步骤 ............................................................................................... 15
4.2 PLC程序的模块化设计 ................................................................................................. 17
4.3 输入输出分配 ................................................................................................................ 17
4.4 梯形图程序设计 ............................................................................................................ 19
4.4.1 梯形图总体框图 ................................................................................................ 19
4.4.2 公用程序 ............................................................................................................ 19
4.4.3 回原点程序 ........................................................................................................ 20
4.4.4 主轴控制程序 .................................................................................................... 20
4.4.5 坐标轴控制程序 ................................................................................................ 22
4.4.6 报警处理程序 .................................................................................................... 25
4.4.7 定时润滑控制程序 ............................................................................................ 25
4.4.8 冷却程序 ............................................................................................................ 27
4.4.9 自动换刀控制程序 ............................................................................................ 27
4.4.10 需要说明的问题 ................................................................................................ 30
4.5 梯形图程序的调试 .......................................................................................................... 30
结 论 . ............................................................................................................................................... 33
致 谢 . ............................................................................................................................................... 35
参考文献 . ........................................................................................................................................... 36
基于PLC 的数控车床电气控制系统设计
附 录 ................................................................................................................................................ 36
基于PLC 的数控车床电气控制系统设计
基于PLC 的数控车床电气控制系统设计
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FX 2N 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
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第一章 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。
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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I/O 口进行信息交换。由于I/O 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
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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、CAD/CAM）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。
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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。
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第二章 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I/0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I/O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I/O口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装置从I/O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I/O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I /0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
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开关等功能；T 功能与刀具的选择和补偿有关。 1.M 功能的处理
M 指令主要有M 02 (程序停止) 、M 03 (主轴顺时针旋转) 、M 04 (主轴逆时针旋转) 、M 05 ( 主轴停止) 、M 06 ( 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。
2.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I/O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。
3. S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 r/min。
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-
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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
1. 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。
2. 可靠性高 PLC 的平均无故障工作时间高达300000 h （约34.2年），所以其可靠性高。而采用继电器--接触器控制机床的控制则因为存在大量机械触点，工作电压和工作电流较大，可靠性较差。
3. 提高机床柔性 当机床加工程序发生变化时, 只需要修改PLC 的程序就可以进行新的加工, 更改较方便, 机床的柔性很好。
4. 效价比高 交流接触器的额定寿命约为800～1600h ，远低于PLC ， 再考虑到因更换坏掉的接触器所耽误的工时，从经济性的角度来看，用PLC 也
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是很合算的（PLC 价格与I/O点数成正比，而机床所要用的I/O点数并不多）。
5. 可联网通信 由于PLC 具有通信功能, 采用可编程控制器进行机床改造后, 可以与其它智能设备联网通信, 在今后的进一步技术改造升级中, 可根据需要联入工厂自动化网络中，提高工厂自动化水平。
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第三章 CK9930数控车床电气控制分析
数控车床主要用于轴类、盘类零件的加工, 能自动完成外围柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工, 并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作, 可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后, 一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序. 因此, 能够极大地提高生产率。
3.1 车床主要结构和运动形式
CK9930数控车床是为两轴车床。床身最大工件回转直径300mm ，最大工件长度500mm ，刀架上最大工件回转直径140mm ，外型尺寸1100 mm×580 mm×580 mm 。其结构主要有床身、主轴变速箱、床鞍、卡盘、刀架、丝杠和尾架等组成。其中，床身是一个整体的铸件。刀架通过床鞍安置在床身的导轨上。
CK9930数控车床的运动形式有：
1. 主运动：工件的旋转运动，是主轴通过卡盘带动工件旋转的运动形式。 2. 进给运动：刀架的横向或纵向的直线运动。
3.2 车床对电气控制的要求
车床工艺范围广，因而它的调速范围大、运动多。其对电气控制的要求有： 1. 为适应各种工件加工工艺的要求，主轴应能在一定范围内调速，采用交流电动机驱动的齿轮变速系统。
2. 由于采用齿轮变速，为防止出现顶齿现象，要求主轴系统变速时作低速断续冲动。
3. 要求主轴能够实现正反转。 4. 电路应有必要的保护和联锁的措施。
3.3 车床的电气控制电路分析
CK 9930数控车床的电气原理图如图3.1所示。
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附加开关量：（X 输入，低电平有效）
X30——急停 X31——继电器RA2闭合
X32——继电器RA1闭合（ENBO ——步进驱动器使能）X33——206超程解除
（Y 输出，低电平有效）
Y20——在X33有效情况下，闭合继电器RA1，ENBO 使能Y21——闭合继电器RA3，主轴正转Y22——闭合继电器RA4，主轴反转
说明：1. ENBO为ENB1和ENB2连接在一起的引出端 2. RA3与RA4 形成互锁电路，控制主轴电机正反转
图3.1 CK9930数控车床电气原理图
3.3.1 主电路分析
将三相电源经空气断路器Q1和Q2引入，单相电容运转主轴电动机M1用接触器KM3和KM4形成的互锁电路控制正反转。变压器T1为X 轴、Z 轴步进电机驱动器提供AC55V 供电电源；变压器T2为强电控制电路提供AC220V 电源；变压器T3和整流电路为弱电控制电路和主控电路板提供DC24V 供电电源。
3.3.2控制电路分析 1.启动过程
启动时，合上Q 1，引入三相电源。按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈通电吸合，则KM1的主触头闭合，电动机接通电源直接启动运行。与此同时，在超程解除（X33）有效状况下闭合继电器RA2，且使X31有效（控制器收到主电路接通信号），则继电器RA1通电，RA1的触点闭合，接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合，为步进电机驱动器供电，且主轴电机也通电。
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在控制面板上采用的是旋钮开关，拨到“开” 的位置后能一直保持接通状态，从而使得KM1能够持续闭合，为控制电路供电。
2.主轴正反转
该车床采用两个接触器KM3和KM4来实现对电动机的正、反转控制。在电路中，为了防止两个接触器同时动作而造成短路，将实现正、反转的KM3和KM4进行互锁。所以，电动机的正反转控制电路实际上是由互锁的两个方向相反的单向运行线路组成的。其具体的控制过程如下： 继电器RA3闭合，RA3常闭触点断开。
1) 接触器KM3闭合，KM4由互锁电路断开（即使RA4误动作也不会闭合），主轴电机正转。
2) 继电器RA4闭合，RA4常闭触点断开。
3) 接触器KM4闭合，KM3由互锁电路断开（即使RA4误动作也不会闭合），主轴电机反转。
正如上面所指出的那样，在该正反转控制电路中，两个接触器的常闭触头KM3和KM4互锁。所以在进行电动机的换向操作时，必须先按下停止按钮才能反向启动。
3. 停止过程
按下急停按钮SB1，则继电器RA2断电，RA2的辅助触点断开，从而使得与之串联在一起的继电器RA1断电，RA1的辅助触点断开。与RA1的触点串联的接触器KM2线圈断电，同时接触器KM1的触头也断开。KM2线圈断电使步进电机断电。KM2的触头也会随KM2线圈的断电而断开，则主轴控制电路断电。KM1触头的断开也会使控制电路断电。
另外，若是行程开关接通，也会使继电器RA2断电，同理，整个控制电路也将会断电。
补充：若为按下急停，X30有效，单片机控制电路无法正常启动；若为行程开关接通（206为高电平），X30无效，单片机控制电路可以正常启动，认知超程错误。
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第四章 PLC控制程序的设计
4.1 PLC程序设计方法
4.1.1 PLC的编程语言
国际电工委员会（IEC ）于1994年5月公布了可编程序控制器语言标准(IEC61131-3),详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：
1. 顺序功能图(Seouential function chart)； 2. 梯形图(Ladder diagram)；
3. 功能块图(Function block diagram)； 4. 指令表(Instruction list)； 5. 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。
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图4.1 PLC控制系统设计与调试的一般步骤
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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I/O分配表。I/O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I/O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I/O分配见表4.1所示。
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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—循环启动 循环启动按钮进给保持进给保持按钮单 段单段按钮机床锁住机床锁住按钮快 进主轴正转按钮主轴正转主轴反转按钮主轴反转主轴停按钮主轴停 X 向退按钮 向退 X 向进按钮向进
Z 向退按钮向退Z 向进按钮向进快进按钮报警急停按钮超程报警超程解除按钮回参考点Z 正向行程开关回参考点Z 反向行程开关进行润滑正向行程开关润滑故障报警
X 反向行程开关换刀完成 冷却开按钮刀架正转 冷却关按钮驱动指示润滑电机起动按钮 X42 冷却开 润滑油路压力继电器X 轴驱动使能 Y26
1～4号刀到位—轴驱动使能 换刀按钮
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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。
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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。
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图4.5 主轴控制流程图
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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：
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图4.8 坐标轴控制梯形图
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图4.9 一种可能的坐标轴运动流程图
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4.4.6 报警处理程序
在PLC 控制系统发生事故、故障时都应发出报警信号, 一般是声光报警信号。此处用PLC 基本逻辑指令实现报警功能, 其梯形图如图4.10 所示。
图4.10 报警控制梯形图
当反向行程开关X35、X37被碰到时，继存器M 13接通。同时，特殊继存器M8013周期性的通断，与之相连的报警指示灯闪烁，当按下“超程解除” 按钮X33，继存器M 12接通，报警指示灯熄灭。
另外，当反向行程开关接通报警后，将会控制整个机床停止运动。
说明：行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。将行程开关安装在预先安排的位置，当运动部件上的挡块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。
4.4.7 定时润滑控制程序
对于机床润滑系统的改造可加装润滑泵，通过设定润滑时间的方法进行，这样可降低手工润滑的劳动强度，提高设备可靠性。正常情况下按规定的时间间隔周期性自动启动，每次按给定时间润滑。
润滑系统的控制过程如下：在正常工作时，按下润滑电机起动按钮后，系统即开始进行润滑，运行10秒后停止，停止30分钟后重新开始进行润滑，如此循环往复下去。
同时，PLC 还对润滑系统的状态进行监测。PLC 在润滑系统开始进行润滑后即通过润滑油路压力继电器检查润滑油路中润滑油的流动是否正常，若压力继电器一
直闭合，说明油路有堵塞。润滑的5秒定时时间到了之后，开始30分钟的间隔，此时如果油路中还有油，说明油路有泄露。在这两种情况下，PLC 都会报警，润滑就会停止。
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定时润滑的控制流程如图4.11。
图4.11 定时润滑控制流程图
使用FXGP_WIN-C软件编写的梯形图程序如图4.12。
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图4.12 润滑控制梯形图
4.4.8 冷却程序
冷却是根据加工任务来选用的，通过操作面板上的冷却启动和停止按钮来进行控制。在急停生效时，冷却输出禁止。
图4.13 冷却控制梯形图
4.4.9 自动换刀控制程序
数控机床要求能够准确、快速地换刀。为提高换刀的效率和定位精度，
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满足在一次装夹下完成多工序加工的需要，采用电动刀架替换原有的手动刀架。电动刀架可实现刀架的自动回转和自动换刀，因而可提高加工效率和刀具的重复定位精度。此处选择结构简单、体积小、刚性好、价格便宜的四刀位电动刀架。
另外，采用电动刀架, 也可使机械结构简单, 省去大量液压管路。选用自动转位电动刀架，刀架上同时安装四把不同的车刀，可在一个工序中依次用四把车刀自动完成几个表面的加工。这对于加工形状复杂、加工表面较多、相对位置精度要求较高的零件是特别适宜的。
自动换刀的控制流程如图4.14。
图4.14 自动换刀控制流程图 该控制的设计充分利用了PLC 具有丰富的数据功能指令的优点，用数据指令来进行判断比较。假设T0是实际刀号, T1为待换刀号。数据寄存器D6存放
实际刀号，D5存放待换刀号。D7存放待换刀号与实际刀号的差值。
用比较指令CMP 进行数据比较。比较结果使M17，M18，M19中的一个接通。 28
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当D5大于D6时，M17接通；D5等于D6时，M18接通；D5小于D6时，M19接通。在程序中首先对D5和D6中存放的值进行比较，判断是否到位。当D5＝D6时，表示刀号相符；当D5＞D6时，将D5－D6的值存放到D8中，当D5＜D6时，将D5－D6＋4的值存放到D8中。D8中存放的是旋转刀位数，将它作为计数器的计数值，由计数器对转过的刀位进行计数，当计数值到，表示换刀结束。
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图4.15 自动换刀控制梯形图
4.4.10 需要说明的问题
一般而言，PLC 应用程序通常还应包括初始化程序，用来将计数器进行清零、对某些输出量置位或复位等，以防止系统发生误动作。考虑到本控制系统中各模块之间差异较大，没有专门编制这一子程序，而是将这些内容穿插在相关的子程序中。
4.5 梯形图程序的调试
调试是PLC 控制程序开发过程中的一个重要环节。
所编写的用户程序在实验室进行了模拟调试，实际的输入信号用按钮来模拟，各输出量的通/断状态则用有关的发光二极管来显示。在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈信号，如限位开关的接通和断开。
通过调试，确实发现了一些关键的问题，有的是对于某些指令的含义的理解存在偏差，有的是程序的结构设计不合理，还有则是对于程序在实际执行中可能出现的问题考虑不周。对于调试中出现的问题逐一进行了排除, 其中的部分程序更是“从头再来”，采取新的逻辑关系重新进行设计，经过不断的调整和完善，调试中所发现的问题都得到了解决。
从上述过程可以看出，程序设计完成后，调试是检验其正确性的必要手段。在调试中，对所遇到的各类问题予以处理解决，不仅对程序设计进行了检验修正，同时还可从实际运行中改进、优化、完善整个程序的设计工作。
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总之，通过调试这个环节，进一步提高了程序的正确性和可靠性，也使自己对于某些指令的理解更加全面，并且学到了一些难得的程序设计经验。
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结 论
实现机床数控化是我国当前正在机械行业进行的一项大的信息化工程，这对于提升我国工业装备水平有着重要的意义。所以开展此类有关机床改造的技术方案的研究从而切实有效地推进这项工程，很有意义。
1. 本文完成的主要工作
本人在基于CK 9930的PLC 控制程序的开发中完成了以下工作：
1)以机床为典型对象，深入了解了电气自动控制技术的基本原理、方法和 应用，并重点分析了该车床的电气控制电路，熟悉了被控对象的工作原理。
2)比较系统地学习了PLC 的工作原理、特点及控制系统的设计方法。
3)利用三菱PLC 完成了PLC 控制程序的开发以代替原继电器--接触器控制方式。
4)为了进一步完善控制系统，在保留原有控制功能基础上，增加了自动换刀、定时润滑等功能。
5)完成了程序的修改、调试、运行等工作。
6) 了解了机床数控改造的相关知识。
机床的电气控制系统经过改造后，在保留原有控制功能基础上，提高了整个控制系统的稳定性和可维护性，对机械性能良好而电气控制系统落后且容易出现问题的机床来说，是一种较好的改造方案。利用PLC 对普通机床进行改造不仅提高了机床的性能，而且利用了原有的设备, 节约了资源。
2. 程序设计体会：
PLC 编程中最常用到的是3个元素：线圈、触点和时间继电器(定时器) 。
1)线圈。一般，电气控制原理都比较复杂，各部分之间的相互关系错综复杂，要想理顺整个控制过程和动作顺序相当麻烦。而线圈(无论是继电器还是接触器) 在梯形图中只能出现一次，所以设计程序时要抓住它。当决定了它出现在梯形图的哪一个网络后，针对这个特定线圈的所有依属关系都要出现在这个网络内。这时只要将电气原理图中相应的触点从和连接线引入这个网络即可。
2) 将控制原理图中的按钮开关变换为输入触点。中间继电器或接触器的辅助触头变换为输出或寄存器等，相应的连线在PLC 梯形图中对应连接好。
3) 合理且巧妙地使用定时器。在本次车床的PLC 控制梯形图设计中就恰到好处地使用它来实现或取代了一些功能，其简捷、准确的控制功能是其他控制方式所难以比拟的。
3. 通过对此项目的设计研究、调试运行，我的收获很大：
1)我对机床，特别是车床有了深刻的了解，对车床的工作原理、组成结构、电气控制等方面的知识进行了全面的学习。
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2)系统地学习了PLC 的相关知识。阅读了大量有关PLC 的书刊及相关技术资料，为今后从事控制系统设计工作奠定了基础。
3) 训练了综合运用知识的能力，锻炼了实践操作能力。
总之，有了这次的设计改造经验，我今后的学习与工作发展就有了一个新的起点。
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致 谢
本论文是在王增法高级工程师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的学术风范，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到论文的最终完成，王工都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向王工致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢和我一起愉快度过本科生活的09级中南机制的各位同学，由于你们的热情帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难和疑惑，直至本论文的顺利完成。还要感谢我的师姐、师哥们，她们对我的课题提出了不少意见，做了不少工作，给予我不少的帮助。在这论文即将完成之际，我的心情却无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，不知有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请都接受我最诚挚的谢意！
最后，在此对阅读评审本论文的各位老师，表示由衷的感谢！
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参考文献
1. 杜柳青主编. 数控机床电气控制. 重庆：重庆大学出版社，2006
2. 王淑英主编. 电器控制与PLC 控制技术. 北京：机械工业出版社，2005
3. 廖常初主编. 可编程序控制器的编程方法与工程应用. 重庆：重庆大学出版社，2001
4. 李建新主编. 可编程序控制器应用技术. 北京：机械工业出版社，2004
5. 陆志强，吴祖育，王庚. 数控机床控制逻辑的分析与设计. 传动技术，1996年，第1期
6. 汪木兰主编. 数控原理与系统. 北京：机械工业出版社，2004.
7. Mitsubishi Electric Corporation. FX2N系列微型可编程控制器使用手册，1999
8. Mitsubishi Electric Corporation. 三菱微型可编程控制器 FX2N系列编程手册，1999
附 录
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梯形图程序：
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