基于PLC的机床控制系统设计.docx
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基于PLC的机床控制系统设计
河南工业职业技术学院毕业设计
毕业论文（设计）
题目：
基于PLC的数控机床控制设计
班级
专业电气自动化
学生姓名
指导教师
河南工业职业技术学院毕业设计
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。
本文介绍了西门子可编程控制器对
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
1
河南工业职业技术学院毕业设计
摘要..............................................................................................................................................1
第1章概述...............................................................................................................................4
1.1数控系统的工作原理........................................................................................................4
1.1.1数控系统的组成.................................................................................................4
1.1.2数控系统的工作原理.........................................................................................5
1.2PLC的硬件与工作原理....................................................................................................6
1.2.1PLC简介..............................................................................................................6
1.2.2PLC的基本结构..................................................................................................6
1.2.3PLC的工作原理..................................................................................................7
第2章数控车床PLC....................................................................................................................8
2.1数控车床PLC的信息传递.............................................................................................8
2.2数控车床中PLC的功能.................................................................................................9
2.2.1PLC对辅助功能的处理......................................................................................9
2.2.2PLC的控制对象..................................................................................................9
2.3用PLC实现车床电气控制系统的功能.......................................................................10
2.4利用PLC代替继电器--接触器控制方式的优越性.....................................................11
第3章CK9930数控车床电气控制分析....................................................................................12
3.1车床主要结构和运动形式.............................................................................................12
3.2车床对电气控制的要求...............................................................................................12
3.3车床的电气控制电路分析...........................................................................................12
3.3.1主电路分析.......................................................................................................14
3.3.2控制电路分析......................................................................................................15
第4章PLC程序设计方法............................................................................................................16
4.1PLC的编程语言..............................................................................................................16
4.2PLC程序设计步骤........................................................................................................16
4.3PLC程序的模块化设计................................................................................................18
4.4输入输出分配.............................................................................................................18
4.5梯形图程序设计.........................................................................................................20
4.5.2公用程序.........................................................................................................21
4.5.3回原点程序.....................................................................................................21
4.5.4主轴控制程序.................................................................................................22
4.5.5坐标轴控制程序.............................................................................................24
4.5.6报警处理程序.................................................................................................27
4.5.7定时润滑控制程序.........................................................................................27
4.5.8冷却程序.........................................................................................................29
4.5.9自动换刀控制程序.........................................................................................30
4.5.10需要说明的问题.............................................................................................32
4.6梯形图程序的调试.......................................................................................................32
4.7本章小结.........................................................................................................................33
第5章调试程序...........................................................................................................................33
结论............................................................................................................................................36
致谢............................................................................................................................................38
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河南工业职业技术学院毕业设计
参考文献.........................................................................................................................................39
、
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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（NumericalControl,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
NumericalControl,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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CNC控制器
编程计算机
序
操作面板
输入设备
计算机
可编程控制
器PLC主轴控制单元
程主轴电动机
硬件与
数控系
电气控制单元
机床电器
统软件
输出设备
速度控制单元
进给电动机
打印机
显示设备
位置检测
图1-1CNC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。
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1.2PLC的硬件与工作原理
1.2.1PLC简介
可编程序控制器（ProgrammableController）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、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。
1.2.2PLC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
手动开关继电器接触器
数据存储器
限位开关
输
入
输
出
电磁阀
光电传感器
接
口
中央处理单元
（CPU）
接
口
变频器输入端
接近开关及及数码显示器
编码器
模
块
系统程序
存储器
用户程序
存储器
模
块
指示灯
数字开关蜂鸣器
通信接口及模块
电源电源
计算机编码器
图1-2PLC的基本结构示意图
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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。
1.2.3PLC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。
输
C
通与外执入
初信部设行输
P
始信备交用出
U
化自息换信户信
诊处息程息
断理序处
理
图1-3PLC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。
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2.2数控车床中PLC的功能
2.2.1PLC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。
⑵T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
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