PLC在数控机床的应用

一般数控机床标配有主轴，司服轴，PLC轴也即是辅助轴。而与之相应的控制系统是CNC，PLC，变频器，伺服和电机。所以讲到PLC在数控机床上的应用就不得不联系到CNC，变频器，伺服和电机。他们是一个系统工程，一个有机的整体。

一．随着工业控制的需要及技术的发展传统的PLC（可编程可编程逻辑控制器）正在发生质的变化，有将PLC与CNC合二为一的PAC（programmableautomutoncotrollor）的方向发展。使PLC不仅具有逻辑运算，算术运算，定时，计数及顺序控制，还可以提供数据传送，矩阵处理，PID调节、SSAII码操作、远程I/O、运动控制、网络通信等高级功能，还可以使用高级语言（C语言、BASIC语言）编写子程序嵌入PLC程序中运行。实质上是一种专业控制计算机。通过PLC提供的宏参数和CNC系统参数可在PLC和零件加工程序之间传递信息，???以完成某些特定功能。即PLC已经渗透到零件加工程序的编辑中去。

单独的PLC已经可以完成全部的CNC功能，这已经成为现实。但就目前而言，PLC主要还是在数控系统配置机床上时起一个“接口”作用，包括MST功能，诊断功能等，这种功能正在不断扩大。

PLC在数控系统的实现目前也有好几种方案：

方案一：通用PLC带数控功能

这对于需要逻辑控制又需要相对简单的位置控制的用户来说是一个很好的选择，无论是成本和开发都有很多优势，不过通用型的PLC大多没有联动和插补指令（部分产品有），并且不支持G代码，无法与CAD软件进行接口。

方案二：专用的数控系统

这种系统有很多使用PLC的平台加DSP加FPGA实现，高档的这种系统可以与CAD软件无缝联接，从CAD导出来的G代码在经过编缉或者不需要编缉下载到控制器内就可以做出各种对应的动作出来。该种系统对于多轴联动控制和插补G代码均有很强的支撑能力，同时一般带有显示，可以在运行时同步在显示屏上显示运动的轨迹。

方案三：IPC+数控板卡

这是国内数控厂商的主要形态，有灵活性高的优点，但很多系统不支持标准的G代码，而是要用户使用C、C++语言或者VC去编写对应的控制程序，由板卡厂商提供函数库。当然目前大多数情况下是由数控厂商代用户完成这一部分的编程。

这种开发方式的优点是显而易见的，厂商的开发成本低，灵活度高，但是需要厂商提供相当多的技术支持，如果客户数量大后很难有足够的支持能力，所以这类厂商大多都在开发通用的数控平台，并仍然使用IPC平台在上面开发通用型的数控系统。

在中、高档数控机床中，PLC是CNC装置的重要组成部分。其作用是：接收来看零件加工程序的开关功能信息（辅助功能M、主轴转速功能S、刀具功能T）、机床操作面板上的开关量信号及机床侧的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能及操作方式的联锁。

PLC有两种类型，即内装型和独立型。

PLC除了在CNC中使用外，还广泛用于治金、机械、石油化工、能源交通乃至娱乐等各行业。

1.PLC的应用类型

（1）顺序控制和开关逻辑控制类型。这是最基本控制方式，已取代了传统的继电器逻辑控制，用于单机、多机群控和生产自动线。它首先对输入的开关量或模拟量进行采样，然后按用户编制的顺序控制程序进行运算，再通过输出电路去驱动执行机构实现顺序控制。

（2）一个具有PID（比例、微分、积分）控制能力的PLC可用于过程控制，把变量保持在设定值上。

（3）组合数字控制类型。在机械加工中，将具有数据处理功能的PLC和CNC组成一体，实现数字控制。

（4）组成多级控制系统类型。在分层分布式控制的全自动化系统，如PMC、FMS、CIMS中，基层由中小型PLC和CNC等控制设备组成，中层由大型PLC进行单元控制与监督，上层由上位计算机做总体管理。PLC之间、PLC与上级计算机之间采用快速光纤数字通信。为适应多任务、多微处理器并进处理，实现实时控制，协调梯形图和BASIC程序之间的相互关系，以及位、字处理和I/O中断处理，还增设有联机文件管理和对执行出错的恢复等功能。

（5）控制机器人的类型。选用PLC可对具有3-6个自由度的机器人进行控制。

2.PLC在位置控制中的应用。PLC制造厂商提供驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。用户只需通过PLC向位置控制模块设置参数及发出某种命令，位置控制模块即可根据来自现场的监测信号和PLC的命令来调整控制输出，移动一轴或数轴到达目标位置，实现准确定位。当每个轴移动时，位置控制模块能使其保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

位置运动的编程可用PLC语言完成，通过编程器输入。用程序设定速度和加速度参数，控制系统可自动实现阶梯式加减速。可多点定位，并有原点补偿和间隙补偿功能，提高定位精度。可进行手动操作，实现高速点动、低速点动或微动。

PLC的位置控制，特别适用于机床的点位直线伺服控制，常称为辅助坐标运动控制

CNC、PLC、机床之间的信号处理过程

CNC装置和机床之间的信号传送处理两个过程：

（一）、CNC装置→机床：

CNC装置®CNC装置的RAM®PLC的RAM中。

PLC软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。

处理后的数据仍在PLC的RAM中，

对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床；

对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。

（二）、机床→CNC装置

对于内装型PLC，信号传送处理如下：

从机床输入开关量数据®CNC装置的RAM®PLC的RAM。

PLC的软件进行逻辑运算处理。

处理后的数据仍在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置的RAM中。

CNC装置软件读取RAM中数据。

对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口送到PLC的RAM中，然后进行上述的第2步，以下均相同

二．接下来是运动过程控制

伺服或者变频器接受CNC，PLC命令，分别控制电压进而控制转速，控制频率来控制转速。

联系到主轴驱动系统和进给伺服系统及执行元件电机等。

1，比较一下变频主轴和伺服主轴的区别。伺服主轴的起停性能好，低速扭矩大，在进行很好的速度控制还能进行较准确的主轴停止位置的控制（主轴定位），但价格较高。

而一般的变频主轴只能进行主轴的旋转速度的控制，且它的低速度扭矩小，电机不能在较低的速度下进行工作，如需要进行低速加工则要通过减速箱来实现，起停时间一般都较长。

这是两种不同的控制系统,前者是随动系统,后者是调速系统。

还有一般的数控机床大多会用变频主轴,一是因为相对而言价格较低,二是容易实现高速和大功率.当然,也满足大多数加工要求.

另变频主轴也可进行对主轴的定位控制,刚性功丝等也可实现.主要是看所选主轴电机及变频器.主轴电机带编码器,变频器加PG反馈脉冲卡就可实现.当然效果肯定是没有伺服主轴来得好.国内中心机大多这样做。

2．变频技术：简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要加摩尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精度和响应特性要好很多。

伺服系统：（1）伺服驱动器在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的伺服强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。（2）电机方面伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的，有些性能优良的变频器就可以直接驱动伺服电机！

3．还有交流伺服和交流变频的区别其实只在于控制指标，包括稳态精度和动态性能。

但电机大体上与同步电机差不多，只是控制方法不同），它的特点是同步，就是说，当控制电机定子磁场的强度和矢量方向后，外力是难以改变转子（动子）的相对位置的，在额定力矩以内，无论外力怎样变化，转子都会自动产生一个回归力，一旦扰动撤消，转子矢量即回归原位。变频器不然，电机转子对定子的相对位置没有记忆，扰动后不能回位。即使加装位置传感器做位置闭环，变频器仍不能和伺服相比。原因是，在位置-速度-力矩三闭环中，变频器实现速度闭环指标比伺服差多了。不过，现在新出来的普通异步电机的伺服控制方案中，采用磁场行波控制，异步电机伺服控制也不是难事，指标也很高。不过驱动器已经不是楼主说的普通变频器或者矢量变频器了

再说动态指标：当伺服系统（通常以速度闭环来举例）速度环给定一个正弦波信号，则电机的速度也应以正弦规律变化。

4．还有一点，就是通用伺服与专用伺服的区别

数控专用伺服是一功率后级伺服.伺服驱动的很多部分已和数控系统做成一体,其发出的信号已是PWM信号,装在外部的驱动部分只是一电源及功率放大器而已.而通用型伺服却不同,其各种回路(如位置,速度,电流)及运算全做在驱动器里.包括电机的参数.

实际应用上的区别吧:专用伺服的参数调试一般是在数控系统里调试,而通用型伺服需要在伺服驱动器上调试.

专用型伺服电机部分编码器反馈是直接接回数控系统的(因外部只是一电源及放大器而已),而通用型伺服却必需接回驱动器部分.

专用型伺服电机编码器线数很多是上百万线的,可通用型的却差远了,一般也就是2500及17BIT(上百万用得到吗？谁能接受得来呀?)

在高速高精的机床应用场合,非得用专用型伺服及数控不可,台湾及国产的数控系统加通用型伺服可做不了(至少现在不行).当然便宜多了.东西不在于有多高端,而在于你应用于什么场合嘛.不过在数控行业,使用专用型伺服是一种趋势.

三．执行元件电机方面

1．步进电机和交流伺服电机性能比较

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

1．1控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

1.2低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

1.3矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

1.4过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

1.5运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

1.6速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

2.0交流伺服系统的分类

交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机（无刷直流机）伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处在于永磁同步电动机伺服系统中需要采用磁极位置传感器而感应电动机伺服系统中含有滑差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异步伺服电动机使用同一套伺服放大器。

2．交流伺服电机与直流司服电机的区别：

直流司服电机的绕组在转子上，电流方波进行控制；交流司服电机绕组在定子上，由正玄波控制。但他们都是永磁体提供磁场。交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。

3．司服电机与普通电机的区别：

伺服电动机作为自动控制系统中跟随控制信号的执行元件，因此又称为“执行电动机”。伺服器对电机的作用就是提供一个电压大小可控，电压相位与励磁电压相差90度电角度的控制电压信号。

伺服电动机与普通异步电机的最大区别是转子电阻比较大，大到使发生最大电磁转矩的转差率Sm>1。其具体原理如下：

伺服电动机的结构实际上与普通两相交流异步电动机没有什么区别。伺服电动机的定子有两相相差120度电角度的交流绕组，分别称为励磁绕组和控制绕组，其转子就是普通的笼型异步电动机的鼠笼绕组。使用时，励磁绕组接单相交流电，在气隙产生脉振磁场，转子绕组不产生电磁转矩，电动机不工作。当控制绕组接上相位与励磁绕组相差90度电角度的交流电时，电动机的气隙便有旋转磁场产生，转子将产生电磁转矩转动。当控制绕组的控制电压信号撤除后，如果是普通电机，由于转子电阻较小，（根据双旋转理论）脉振磁场分解的两个旋转磁场各自产生的机械特性的合成结果是产生的电磁转矩大于零。因此，电机转子仍然保持转动，不能停止。而伺服电动机，由于转子电阻大，且大到使发生最大电磁转矩的转差率Sm>1。脉振磁场分解的两个旋转磁场各自产生的机械特性的合成结果是产生的电磁转矩小于零，也就是产生的电磁转矩是制动转矩，电机将在这个制动转矩作用下将很快停止转动。

FANUC数控系统PMC功能的妙用

FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能,得到了广大用户的认可,在我公司得到了大量的使用,就其系统本身而言,经受了连续长时间的工作考验,故障率较低。而故障多发于外围行程、限位开关等外围信号检测电路上。

在实际工作中,了解和熟悉FANUC系统丰富的操作功能,对外围故障的判断和排除有着事半功倍的作用。

在这里,举例谈一下使用FANUC系统内嵌的强大、易用的PMC功能对外围故障的快速判断和排除。

功能1

操作方法:按功能键|SYSTEM|切换屏幕→按|PMC|软键,再按相应的软键,便可分别进入|PMCLAD|梯形图程序显示功能、|PMCDGN|PMC的I/0信号及内部继电器显示功能、|PMCPRM|PMC参数和显示功能。

应用实例:本公司的一台日本立式加工中心使用FANUC18i系统,报警内容是2086ABNORMALPALLETConTACT(M/CSIDE),查阅机床说明书,意思是“加工区侧托盘着座异常",检测信号的PMC地址是X6.2。该加工中心的APC机构是双托盘大转台旋转交换式,观察加工区内堆积了大量的铝屑,所以判断是托盘底部堆积了铝屑,以至托盘底座气检无法通过。但此时报警无法消除,不能对机床作任何的操作。在FANUC系统的梯形图编程语言中规定,要在屏幕上显示某一条报警信息,要将对应的信息显示请求位(A线圈)置为"1",如果置为"0"，则清除相应的信息。也就是说,要消除这个报警,就必须使与之对应的信息显示请求位(A),置为"0"。按|PMCDGN|→|STATUS|进入信号状态显示屏幕,查找为"1"的信息显示请求位(A）时,查得A10.5为"1"。于是,进入梯形图程序显示屏幕|PMCLAD|,查找A10.5置位为"1"的梯形图回路,发现其置位条件中使用了一个保持继电器的K9.1常闭点,此时状态为"0"。查阅机床维修说明书,K9.1的含义是:置"1"为托盘底座检测无效。

故障排除过程:在MDI状态下,用功能键|OFFSETSETTING|切换屏幕,按|SETTING|键将"参数写人"设为"1",再回到|PMCPRM|屏幕下,按|KEEPRL|软键进入保持型继电器屏幕,将K9.1置位为1"。按报警解除按钮,这时可使A10.5置为"0",便可对机床进行操作。将大转台抬起旋转45度,拆开护板,果然有铝屑堆积,于是将托盘底部的铝屑清理干净。将K9.1和"参数写人"设回原来的值"0"。多次进行APC操作,再无此报警,故障排除。

功能2

在FANUC系统的梯形图编程语言中,F是来自NC侧的输入信号(NC→PMC),而G是由PMC输出到NC的信号(PMC→NC)。其中,G130是PMC输出到NC侧的各轴互锁信号,当其中某一位被置为"1"时,允许对应的伺服轴移动；为"0"时,禁止对应的伺服轴移动。

应用实例:一国产加工专机使用FANUC21M系统,执行原点返回的NC程序时,当执行到"G91G28GOOZO;"时,Z轴无动作,CNC状态栏显示为"MEMSTRTMTN***",即Z轴移动指令已发出。用功能键|MESSAGE|切换屏幕,并无报警信息。用功能键|SYSTEM|切换屏幕,按“诊断”软键,这时005(INTERLOCK/START-LOCK)为"1",即有伺服轴进入了互锁状态。

故障排除过程:进入梯形图程序显示功能屏幕,发现与Z轴对应的互锁信号G130.0的状态为"0",即互锁信号被输入至NC,检查其互锁原因,发现是一传感器被铝屑污染。擦拭后,将G130.0置为"1",互锁解除,重新启动原点返回的NC程序,动作正常,故障排除。

功能3

PMC中的眼踪功能(TRACE)是一个可检查信号变化的履历,记录信号连续变化的状态,特别对一些偶发性的、特殊故障的查找、定位起着重要的作用。用功能键|SYSTEM|切换屏幕,按|PMC|软键→|PMCDGN|→{TRACE|即可进入信号跟踪屏幕。

应用实例:某国产加工中心使用的是FANUCOi系统。在自动加工过程,NC程序偶尔无故停止,上件端托盘已装夹好的夹爪自动打开(不正常现象),CNC状态栏显示MEMSTOP***,此时无任何报警信息,检查诊断画面,并未发现异常,按NC启动便可继续加工。经观察,CNC都是在执行M06(换刀)时停止,主要动作是ATC手臂旋转和主轴(液压)松开/拉紧刀具。

故障排除过程:使用梯形图显示功能,追查上件侧的托盘夹爪(Y25.1)置为"1"的原因(估计与在自动加工过程,偶尔无故停止故障有关)。经查,怀疑与一加工区侧托盘夹紧的检测液压压力开关(X1007.4)有关。于是,使用|TRACE|信号跟踪功能,在自动加工过程中,监视X1007.4的变化情况。当NC再次在M06执行时停止,在|TRACE|屏幕上,跟踪到X1007.4在CNC无故停止时的一个采样周期从原来的状态"1"跳转为"0",再变回"1",从而确认该压力开关有问题。调整此开关动作压力,但故障依旧。于是将此开关更换,故障排除。事后分析,引起这个故障原因是主轴松开/夹紧工具时,液压系统压力有所波动(在合理的波动范围内),而此压力开关作出了反应以致造成在自动加工过程中,NC程序偶尔无故停止的故障。