Advanced CNC Technology
题目：数控系统及实际课题中的结 课 小 论 文
PLC应用简述作者：*** 学号：*** 导师：***
学院：机械工程学院 研究方向：***** 课程教师：***** 日期：****
Advanced CNC Technology 结课小论文
数控系统及实际课题中的PLC应用简述
Abstract: PLC technology in the field of industrial control applications is becoming more and more important in the numerical control system. This paper draws on the PLC knowledge in the curriculum of CNC and combines with my current projects to make a certain research by the extracurricular learning of PLC application in the numerical control system. And finally, there is a brief introduction about the control mode of my actual projects used Beckhoff PLC and XPC-Target platform. Keywords: PLC; CNC; Beckhoff PLC; XPC-Target platform
1 Introduction
Most of the modern advanced CNC machine tools have a high degree of automation, and the way of the movement becomes more diverse, and the functions become more complex, which make the measurement and control volumes also greatly increased. With the development and application of computer technology, at the same time, CNC machine tools also add many new features, and require a variety of functions to ensure flexible and convenient, which make the programmable logic controller (PLC) in the numerical control system an important role and status. Because the high reliability, applicability, and the lower costs in the hardware installation process than other control products and many other aspects of unique advantages relatively of programmable controller PLC control, and with the increasing level of enterprise automation requirements, these factors make the programmable logic controller PLC in the improvement of enterprise automation production equipment, process control, data processing and other aspects a wide range of research and application, especially in modern high-performance CNC machine tools. In CNC machine tools, the control system not only to continuously control the position of the axis, but also to control the spindle start and stop, change, tool change, work-piece clamping release, hydraulic, cooling, lubrication system operation.
- 1 -
Advanced CNC Technology 结课小论文
2 数控系统中的PLC应用
2.1 PLC在数控系统中的地位
现代数控机床中的控制系统能逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。实现这些功能概括起来需要三大部分的支撑： 1） MMC(人机界面)。主要负责数控系统的屏幕显示、故障诊断、参数设定以及
数控键盘的控制等；
2） NCK（数控系统实时内核）。主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如
零件加工程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等；
3） PLC（可编程控制器）。主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的
具体要求，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作，还能接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将部分指令送往CNC用于加工过程的控制，在数控系统配置机床时起一个接口的作用。
数控系统这三大部分又可概括为两大部分，一是 NC，二是PLC。两者在数控机床中作用范围可大致划分为[1]：NC实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制；PLC进行辅助动作控制。在数控机床中这两种控制任务按照以上原则进行分工，同时也按照一定方式进行连接。可见PLC在数控系统中与CNC系统密切配合，是现代数控机床实现多种功能、趋向智能化所必须的控制部分。
2.2 PLC在数控系统中的实现方式
2.2.1 PLC在数控系统中的分类
现代数控系统中的PLC种类繁多，从PLC所处相对位置分类上看，主要分为内置型和独立型。内置型PLC与CNC系统集成到一起，成为CNC结构的一部分，二者通过内部接口进行数据交换，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU。独立型PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，
- 2 -
Advanced CNC Technology 结课小论文
能够独立完成控制功能，采用这种控制方式，可根据用户自己的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，且可更为方便地对控制规模调整。独立型 PLC 的技术十分成熟，在实现数控机床的顺序控制功能时可达到更高的稳定性和可靠性。但独立型 PLC 本身存在着体系结构不开放，价格昂贵及与数控系统接口不通用等一系列问题，从而制约了其在数控机床中的应用。
随着PLC技术的迅猛发展以及为避免独立型PLC（也称为硬PLC或传统PLC）的缺点，又出现了软PLC（可以归为内置型PLC范畴）。所谓软 PLC(Soft PLC)技术[2]，就是以IEC61131-3国际标准为基础，基于PC机或嵌入式处理器为硬件平台，在实现传统PLC基本功能前提下，使用开放的通讯接口和总线型网络结构，利用软件替代传统PLC硬件，并实现与其相同功能的新兴控制技术。 2.2.2 PLC与数控系统的通讯
PLC与数控系统的信息通讯主要涵盖为PLC、CNC、数控机床这三者间的信息交换[3]。主要包含四个组成部分：
1) 从数控机床到PLC。数控机床侧信号主要通过I/O单元接口进入可编程控制
器，而输入的地址由编程人员依据相关的规范在编程时自行进行定义。 2) 从PLC到数控机床。PLC 需要参照数控机床所需配置、要实现和达到的控
制功能来传输信号，比如将相应的机床控制信息通过数字信号传输到机床侧。对于数控机床输出信息而言，其输出地址可由编程人员进行调整和定义。 3) 从CNC到PLC。从CNC送到可编程控制器的信息应由CNC直接输入可编
程控制器的寄存器之中，CN送到可编程控制器的全部信号含义及地址是由CNC生产厂家确定，可编程控制器的编程人员只能使用不能改变，更不能随意地增删。比如，数控机床中的M、S与T等功能主要是通过经CNC译码之后直接输送到可编程控制器的相应寄存器中。
4) 从PLC到CNC。信息流不仅可以实现从 CNC 到 PLC 的传输，还可实现
从PLC 到 CNC 的逆向传输。通过 PLC 的寄存器，信息流可实现逆向传输，即信息流通过 PLC 将相关信息的内容、地址反馈回CNC，所适用的信息地址需符合CNC厂家相关规定，且PLC编程人员只能使用不能改变。 PLC、CNC、数控机床这三者间的信息交换的大致关系可以参考图2.1：
- 3 -
Advanced CNC Technology 结课小论文
主轴驱动 伺服驱动 图 2.1 PLC、CNC与数控机床（机床侧）的信息通讯
控制面板 机床侧： CNC I/O模块 NC PLC 强电电路 操作面板 辅助装置 继电器电路 液压系统 2.3 PLC在数控系统中的具体应用
PLC在数控系统中的具体运用主要概括为三类：
（1） T功能（换刀功能）。CNCN发出T代码指令给PLC，在经过译码之后，
再到数据表中进行检索，可以找到T代码所指定的刀号，再与现有刀号比较，若不符就发出换刀指令，而对应的数控装置I/O口变为高电平。 （2） S功能（主轴功能）。主要是完成对于主轴转速的控制。
（3） M功能（辅助功能）。各类不同的数控机床运用PLC所能实现的辅助功能
是各不相同的，但种类繁多的数控机床一般都有以下基本的辅助功能，比如程序停止、主轴顺针旋转、主轴停止以及准备换刀等[4]。
3 实际课题研究中的PLC应用
虽然本人研究方向为液压机的流体传动与控制，但液压系统在主体设计完成后还要设计其控制部分也经常运用到PLC控制，因此取CNC这门课程与本人实际课题研究的交集——PLC应用进行简述，以达到回顾CNC课程的有关知识以及整理自己实际课题研究项目中的PLC控制方案来总结经验，进而强化的目的。
3.1 Beckhoff（倍福）嵌入式控制器对小型液压系统的控制
本人上学期课题研究中有一小型液压系统，主要控制油缸快速往复运动，要求换向的一瞬间需要足够的快，因此选用德国力士乐的比例伺服阀作为核心元件
- 4 -
Advanced CNC Technology 结课小论文
来满足油缸的快速换向要求，为达到尽可能高的换向速度需要综合控制比例伺服阀、电磁换向阀、电磁溢流阀、压力传感器、位移传感器以及继电器，故选择德国Beckhoff（倍福）嵌入式控制器CX5020以及有关输入输出模块作为PLC对该系统进行控制。
一、倍福PLC控制系统的简单搭建：
进行PLC编程控制 发送指令及反馈信处理指令 执行指令 主机 TCP/IP 嵌入式控制器 及所选端子模块 比例伺服阀及放大板 压力传感器 继电器 位移传感器 电磁阀 图3.1 倍福PLC控制系统的简单搭建
用普通计算机即可作为主机运行倍福公司配套的TwinCAT3软件，再选用网缆或串行通讯RS232连接主机和嵌入式控制器，根据要求选择数字量输入输出端子模块控制继电器和电磁阀，选择模拟量输入输出端子模块获得传感器参数和控制比例伺服阀。其实物连接见图3.2：
图3.2 系统倍福控制系统调试实物图
二、倍福PLC对系统的控制原理
在完成系统的实物连接后，需要在TwinCAT3软件中进行如下步骤实现PLC控制：
- 5 -
Advanced CNC Technology 结课小论文
1) 设置主机和倍福嵌入式控制器CX5020之间的通讯参数，实现两机通讯； 2) 令控制器扫描所选的端子模块；
3) 建立PLC任务，并在编程区编制控制程序，此处选用类似于C语言的编程
语言，当然也可以选择梯形图、指令语言表、结构化文本或功能块图； 4) 变量连接。将编程中设置的变量与所扫描出来的端子模块对应连接起来，建
立起输入输出关系；
5) 下载程序到倍福PLC中，然后进行程序运行、检测、在线实时更改参数等操
作。
以上步骤在现场调试时的PLC控制是：油泵运行后开始供油，先向蓄能器充入压力油，但此时油缸不能开始运动否则速度达不到要求，这就需要PLC程序先设定一定等待时间，充油完成后倍福PLC发出信号控制电磁阀和比例伺服阀动作，压力油瞬间推动油缸向前冲击。此过程中位移传感器和压力传感器实时反馈油缸上冲击头的位移量以及油缸的压力，若两者达到设定的最大值，倍福PLC根据获得的参数迅速发出反向指令，油缸迅速反向，对地面的打击形成冲击效应。
借助倍福PLC以及力士乐比例伺服阀的快速响应性能，冲击方案得以实现。
3.2 XPC-Target平台对比例伺服阀的控制
XPC-Target平台是建立在MATLAB-Simulink基础之上的控制系统，与数据采集卡的结合能够容易实现PLC控制功能。在本人的另一个课题研究中，需要利用该平台建立简单的PLC任务，实现对力士乐比例伺服响应性能的实时分析。数据采集卡选用美国NI PCI-6259（16位, 1 MS/s (多通道), 1.25 MS/s (单通道), 32路模拟输入）。
一、XPC-Target控制平台的简单搭建： 利用U盘启动盘运行实时内在Simulink中进行PLC编程- 6 - TCP/IP 主机 数据采集 及发送指令 发送指令及反馈信PCI-6259 数据采集卡 专用数据线 接线端子盒 执行指令 处理指令 目标机 比例伺服阀 放大板 Advanced CNC Technology 结课小论文
图3.3 XPC-Target控制平台的简单原理图搭建
可见XPC-Target控制平台与倍福PLC控制系统具有很大的相同之处，只不过，XPC-Target控制平台更加趋向于对比例伺服阀反馈数据的实时采集和分析。又因为利用Simulink作为软件平台，使得该系统在进行PLC控制时更加简单直观，且数据的处理过程大多转移到目标机中，所需计算机资源相对倍福产品也要小一些。其实物连接见图3.4：
图3.3 XPC-Target控制平台的实物连接图
二、XPC-Target控制平台建立PLC任务对比例伺服阀的控制
与上述倍福PLC控制系统的操作类似，XPC-Target控制平台建立PLC任务控制的步骤大致为：
1) 实现两机通讯。在Simulink内设置主机与目标机的参数，完成通讯功能； 2) 建立PLC任务。在Simulink内可以方便地利用预定义模块库建立控制比例
伺服阀动作以及采集反馈信号的PLC任务，可以容易地进行正余弦信号的输入来控制比例阀开口变化规律，这比在倍福PLC中编程实现要方便的多； 3) 利用Simulink将PLC任务流程自动生成相应的程序，下载到目标机； 4) 运行程序、实时修改参数、实时显示反馈数据。
该PLC控制方案是利用Simulink在搭建好直观的功能模块图后自动生成相应的程序，从数据采集卡输出指令控制比例伺服阀按照设定的动作运行，同时将比例伺服阀的反馈信号实时经数据采集卡返回到主机和目标机，主机便可以根据
- 7 -
Advanced CNC Technology 结课小论文
PLC程序指令迅速对数据进行分析，判断比例伺服阀的响应性能。由于数据采集卡的精度在整个PLC控制系统中占据关键作用，且数据采集卡的快速控制精度较低，因此对比例伺服阀的快速控制不如倍福PLC，但是在较低速的控制中，XPC-Target控制平台PLC控制方案的数据采集和快速分析优势尽显。
4 结束语
数控机床是集计算机技术、PLC技术、自动化技术等于一身的机电一体化产物，作为数控机床核心的控制系统直接关系到设备的正常运行。在数控机床中 PLC 主要用于外围辅助设备的控制，与NC共同组成数控系统，两者作用范围不同，但必须相互协作。PLC既要与NC信息交换又要与机床侧进行信息交换，同时起着对外部电路和外接设备的控制作用（包括人机界面）。如果NC是数控机床的大脑，PLC则相当于数控机床的神经中枢。所以 PLC 在数控机床中占有重要地位，学好数控系统中PLC应用的有关知识不仅有利于了解数控系统中PLC的大致工作原理，通过与自身课题中用到的PLC控制方案对比也能发现PLC控制方案的多样化及各自的优缺点。从CNC课程中学到的PLC知识一样有利于自己实际课题研究中的PLC运用。但由于本人研究方向的问题，在数控系统方面的知识较为匮乏，文中的不当之处还望批评指正。
参考文献
[1] 杨光. PLC在数控机床中的应用[J]. 信息通信, 2013, (6): 55-57. [2] 孙欣. 数控系统软PLC的研究与开发[D]. 大连理工大学, 2007.
[3] 曹庆泽. PLC技术及其在数控机床中的应用[J]. 科技传播, 2012, (20): 132, 133. [4] 刘仕超,李岳,姚轶伦. PLC技术及其在数控机床中的应用[J]. 南方农机, 2016, (10): 121.
- 8 -
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容