数控机床PLC介绍

现代数控系统均内置有可编程序控制器(PLC)功能,与常规PLC控制的不同之处在于,数控机床PLC有对外和对内两重控制任务，如图 1-1所示。

图1-1 数控机床 PLC 控制任务

1.数控机床 PLC 对外控制数控机床在手动或自动操作方式下,通过机床操作面板上的按键,或执行M、T指令,经数控系统中的PLC控制对外输出开关信号,使机床侧的辅助功能运行,如切削液开关、刀库选刀、机械手换刀等；同时,机床侧各类检测开关将机床当前的状态输入到PLC中，由 PLC 进行逻辑运算。

2.数控机床 PLC 对内控制数控机床PLC每个动作的执行与完成都要与CNC进行数据交换,数据交换的信号称为接口信号，每个接口信号都有数控系统规定的功能。CNC 根据这些接口信号可以对主轴和伺服轴等进行控制。

数控机床 PLC 程序大都用梯形图编写，并有相应的软件支持，如 FANUC OiC/OiD 系统用 LADDER 1软件， SINUMERIK 802D/802Dsl 系统用 S7-200 软件等。一台数控机床的 PLC程序通常由以下部分组成：

1）机床急停保护。

2）机床轴超程保护。

3）机床操作方式选择。

4）系统功能选择。

5）主轴倍率和进给倍率。

6)主轴控制。

7）选刀和换刀。

8)冷却和润滑。

9) PLC 报警等。

三、输入开关信号

1.控制开关

控制开关通常分布在机床操作面板上，通过人为操控使外部电路通断，以实现某个控制功能。图1-2所示为数控机床常用的各类开关。

图1-2 数控机床常用各类开关

a)各类开关外观 b)按钮动作原理 c)开关符号

1—按钮帽 2—复位弹簧 3—推杆 4—动断（常闭）触点 5—桥板 6—动合（常开）触点

按钮按下去之前，外部电路断开，按钮按下去之后，外部电路接通，此触点为动合触点（常开触点）；按钮按下去之前，外部电路接通，按钮按下去之后，外部电路断开，此触点为动断触点（常闭触点）。按钮通常用于机床上有关动作的执行和停止,如主轴起动和停止、切削液开和关等;旋转开关、钮子开关常用于机床状态选择,如自动和手动操作选择、坐标轴选择等；钥匙开关用于系统数据保护；脚踏开关用于数控车床液压尾座顶尖伸出和退回、液压卡盘夹紧和松开；急停按钮在紧急状态下切断电源电路，使机床动作停止，急停按钮只有动断触点；倍率开关用于主轴倍率、进给倍率及操作方式选择等，倍率开关处在不同位置时,开关触点的通、断组合构成二进制码,对应不同的状态。

2.行程开关行程开关又称限位开关，它将机械位置转变为开关信号。图 1-3 所示为机床中常用的滚轮柱塞式行程开关。行程开关的动作过程与控制按钮类似,只是用移动部件上的撞块来触碰行程开关上的柱塞，行程开关触点的分合速度取决于撞块的移动速度。行程开关在数控机床上主要用于坐标轴的限位、移动部件的定位等。

图1-3 机床中常用的滚轮柱塞式行程开关

a）滚轮柱塞式行程开关 b）行程开关动作原理 c）符号

1—撞块 2—柱塞 3—动断触点 4—动合触点

3.电感式接近开关接近开关是一种非接触式的电子开关，常用的是电感式接近开关（图 1-4）。接近开关具有体积小、灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、工作稳定可靠及使用寿命长等优点。在数控机床上，电感式接近开关常用于刀库、机械手、加工中心主轴松紧刀等机构的位置检测,以及主轴一转信号的检测等。电感式接近开关前端的感辨头内有一个线圈,壳体内有高频振荡器及信号处理电路。高频振荡器产生的高频励磁电流在线圈中产生交变磁场,当导磁的金属物体接近感辨头到一定距离时,金属表面产生电涡流,电涡流产生的磁场又反作用于感辨头的磁场,使高频励磁电流减小,信号处理电路对励磁电流的大小进行检测后,输出开关信号。感应铁片使开关接通和断开的移动距离之差称为迟滞距离。接近开关输出有较大的带载能力，可直接驱动继电器线圈。另外，接近开关输出信号有 NPN 或 PNP 形式，在与 I/O 模块输入端连接时，应注意接线形式。接近开关通常带有电源和开关通断状态的指示灯。

图 1-4 电感式接近开关 a)类型 b)动作原理 c)接线 d)符号

4.磁感应式开关磁感应式开关又称磁敏开关,主要对气缸活塞位置进行非接触式检测,如图 1-5所示。固定在活塞上的磁性环随活塞运动到磁感应开关位置时,由于其磁场的作用,使开关内振荡线圈的电流发生变化，内部放大器将电流转换成输出开关信号。根据气缸形式的不同，磁感应开关有绑带式安装和支架式安装等类型。

图 1-5 磁感应式开关 a）安装在气缸上的磁感应开关 b）气缸活塞行程控制 b）1-缸筒 2-活塞 3-磁环 4-磁感应开关

5.霍尔开关霍尔开关是将霍尔元件、放大电路及开关电路等集成在一个芯片上的集成电路，常用于数控车床四方电动刀架的刀位检测，如图1-6 所示。当磁铁远离霍尔开关时，霍尔开关感应到磁场强度小，霍尔开关处于关断状态；当磁铁靠近霍尔开关时，霍尔开关感应到磁场强度大，霍尔开关接通。

图 1-6 霍尔开关

a）数控车床四方电动刀架中的霍尔开关 b）动作原理

1-霍尔开关集成电路 2-磁铁 3—刀架 4—刀架电动机 5-刀座

6.光电开关光电开关是一种用来检测物体靠近、通过等状态的光电传感器，具有抗干扰能力强、感应距离长及动作灵敏等特点。在数控机床中,光电开关用于检测物体的定位、限位及计数等场合,常用的光电开关有遮断式和反射式,如图1-7所示。

图 7-7 光电开关 a）遮断式 b）反射式

遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接收器组成。当被检测物体位于发射器和接收器之间时,红外光线被阻断,接收器接收不到红外线而产生开关信号。反射式光电开关集发射和接收为一身，定区域反射式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关的动作。其他反射式光电开关还有散射型和反射镜反射型等。此外，在数控机床的润滑、冷却及气液压系统中，安装有液位开关、流量开关及压力开关等，对润滑油箱和液压油箱的液位、气液压管道中的流量和压力进行检测，以保证机床稳定、可靠地运行。有关液位开关、流量开关和压力开关的类型和原理请读者参考相关资料。

四、输出开关信号

1.继电器的通断。继电器（图 1-8）是一种根据外界信号来控制电路通断的电磁开关，常用于控制电路的通断。

图 1-8 继电器 a）外观 b）结构 c） 符号 1-线圈 2-铁心 3-动合触点 4-动断触点 5-衔铁 6-复位弹簧

继电器由线圈和触点组成，线圈电压为 DC 24V，有多组动合和动断触点，如图 1-8b所示。继电器线圈得电时，线圈产生的磁场吸合衔铁，使接在控制电路中的动合触点或动断触点动作,从而控制电路的通断。继电器线圈上要反向并联续流二极管,以便当线圈断电时为线圈中的感应电流提供放电回路。

2.接触器接触器（图1-9）也是一种电磁开关，常用于主电路的通断。接触器由线圈和触点组成,线圈电压有单相交流 110V和 220V,其主触点接在主电路中以承载大的负载电流,辅助触点接在控制电路中。

图 1-9 接触器 a）外观 b）结构 c）符号 1-线圈 2-复位弹簧 3-主触点 4-辅助触点 5-动铁心 6-静铁心

当接触器线圈接通电源时，线圈电流产生磁场，使静铁心产生足以克服弹簧反作用力的吸力,将动铁心向下吸合,使主触点闭合,主触点将主电路接通;当接触器线圈断电时,静铁心吸力消失,动铁心在弹簧力的作用下复位,主触点复位,主电路断开。接触器还有一组动合和动断辅助触点,用于控制电路的通断。为了给线圈断电时提供放电回路,在线圈两端并联阻容吸收装置。

3. 电磁换向阀在液压和气动系统中，电磁换向阀用来控制流体的方向，使液压缸或气缸活塞动作方向发生改变,如数控车床液压尾座中顶尖的伸出和缩进,液压卡盘的夹紧和松开;加工中心主轴松紧刀气缸,斗笠式刀库刀盘推出和缩回气缸等。图1-10所示为数控机床液压工作站及电磁换向阀，图 1-11 所示为气动系统电磁换向阀。

图 1-10 数控机床液压工作站及电磁换向阀

a)液压工作站 b)二位四通电磁换向阀 c)三位四通电磁换向阀

1—油箱 2—电动机 3—液压泵

在图 1-10b 中，二位四通电磁换向阀不能使液压缸活塞在任意位置停止运动。单电控二位四通电磁换向阀的换向靠一个线圈的得电和失电来控制,线圈失电时滑阀靠弹簧复位;双电控二位四通电磁换向阀的换向靠两个线圈的轮流得电和失电来控制。

在图1-10c中，三位四通电磁阀能使液压缸活塞在任意位置停止运动。双电控三位四通电磁换向阀的换向靠两个线圈的轮流得电和失电来控制,当两个线圈同时失电时，滑阀在两个弹簧的作用下处于中位，在 0 型中位机能中，阀的各油口关闭，系统保持压力；在Y型中位机能中,液压缸两腔与回油路连通。

图 1-11 中，单电控二位五通电磁换向阀线圈得电时，1-4 口进气， 2-3口排气;线圈失电时,滑阀在弹簧作用下复位，1-2 口进气，4-5 口排气。双电控二位五通电磁换向阀的换向靠两个线圈的轮流得电和失电来控制。

图 7-11 气动系统电磁换向阀 a)单电控二位五通电磁换向阀b)双电控二位五通电磁换向阀

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