第4章-数控逻辑控制与通信

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4.2PLC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24.1数控系统的PLC原理4.2PLC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44.1.1PLC的结构组成和工作原理输入模块电源模块系统程序存储器CPU用户程序存储器外围接口模块输出模块X执行机构扩展模块编程器传感器一、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人机界面4.1数控系统的PLC原理6模块式PLC4.1数控系统的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Y1X2Y1Y1T1Y2T1K15X3X1梯形图（Ladder）~220VKM1PB2PB1KM1KM1KT1KM2KT1KA1电器原理图8指令语言执行顺序：从上到下、从左到右LDX1ORY1ANIX2OUTY1LDY1ANDX3OUTT1K15LDT1OUTY2Y1X2Y1Y1T1Y2T1K15X3X1梯形图（Ladder）4.1数控系统的PLC原理9三、PLC梯形图的设计原理输入映像寄存器输入接口电路输出映像寄存器输出状态锁存器控制程序输出接口电路关键：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，进行下个周期的运算。4.1数控系统的PLC原理10PLC控制程序的执行流程定时中断定时标志1返回开始初始化(禁止所有输出)定时标志=0？高速响应读输入到映像寄存器逻辑运算及控制输出到输出锁存器YN定时标志04.1数控系统的PLC原理11四、电器原理图和梯形图的差别~220VKM1PB2PB1KM1KM1KT1KM2KT1KA11.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124.1数控系统的PLC原理4.2PLC在数控机床上的应用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”（ProgramableController）,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，就是通过PLC来实现的。如西门子840D。4.2PLC在数控机床上的应用14指令位置显示位置电机指令位置运动控制K0、tanβ、P0位置反馈+-PLC温度采集西门子840D的热误差补偿模块结构框图4.2PLC在数控机床上的应用15K0(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。ZYdy1dz1ZYdz2Dz2=(Pz-Pz0)*tanβ(T)与机床位置无关的热变形与机床位置相关的热变形4.2PLC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，输入输出接口在机床一侧，中间用一个光缆通信。4.2PLC在数控机床上的应用17机床侧的开关量信号通过I／O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(MT→PLC)4.2PLC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SINUMERIK810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Q1．4来定义。该信号通过I／O模块和I／O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，Q1．4信号可在PLCSTATUS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)4.2PLC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FY27．3寄存器中。3、CNC到PLC(CNC→PLC)4.2PLC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SINUMERIK810数控系统中，Q108.5为PLC至CNC的进给使能信号。4、PLC到CNC(PLC→CNC)4.2PLC在数控机床上的应用21主轴转速可以用S2位代码或S4位代码直接指定。例如某数控机床的主轴最高转速为4000r／min，最低转速为50r／min，若用S4位代码，CNC送出S4位代码至PLC，将进行二——十进制数转换，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D／A转换器，转换成50～4000r／min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4.2PLC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、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。4.2PLC在数控机床上的应用234.1数控系统的PLC原理4.2PLC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244.3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）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。251.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VccVccVcc4.3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VccVccVcc4.3数控机床通信及接口28CPLD/FPGA总线输入缓冲电路DAWRRDCPU译码电路OE选通控制74244QI0[0..7]I1[0..7]I2[0..7]总线4.3数控机床通信及接口29触点输入电路的防抖与滤波闭合稳定开关闭合前沿抖动后沿抖动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，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332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0.5A3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CPLD/FPGA74374Swr0Swr1Q0[0..7]Q1[0..7]DQclkDQclk译码电路DAWRRDCPU总线4.3数控机床通信及接口35a)光耦输出驱动与隔离尽量避免5V大电流直接驱动，尽量采样光耦隔离。Vcc+24V0V负载锁存器特点：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36b)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。Vcc+24V0V锁存器~220VVcc+24V0V锁存器37c)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-OutOutVccSSR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控制波形调相型交流SSR控制波形4.3数控机床通信及接口38SSR输出的特点：1.无触点输出，没有火花，寿命长。2.有一定的漏电流。3.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。4.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。In+In-Out~Out~Vcc4.3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、RS42