【PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用問題研究5500字（論文）】

PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用研究目錄TOC\o"1-3"\h\u9470摘要 摘要：電子與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，給我國機(jī)床加工設(shè)備的現(xiàn)代化提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在機(jī)械制造業(yè)迅猛發(fā)展的今天，自動(dòng)化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)用變得十分廣泛。二十世紀(jì)末期，美國率先研發(fā)出開放式數(shù)控系統(tǒng)，由此，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入開放式時(shí)代。PLC在數(shù)控系統(tǒng)中是常用的輔助控制單元，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床PLC功能已經(jīng)成為其不可或缺的功能，且PLC系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用情況較為廣泛，如用PLC模塊、變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、操控監(jiān)控設(shè)備等組成電氣數(shù)字控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)編程輸入、人機(jī)交互、自動(dòng)化加工的控制方式，擴(kuò)大加工能力，減少故障，提高效率，已成為企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造的有效途徑。因此，本文將針對(duì)PLC系統(tǒng)的發(fā)展情況，主要分析PLC系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：PLC；數(shù)控機(jī)床；應(yīng)用引言現(xiàn)代工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)是制造業(yè)，其中數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)在制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、集成化和柔性化生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)，是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提升產(chǎn)品質(zhì)量必不可少的技術(shù)手段。因此數(shù)控機(jī)床是我國裝備制造業(yè)的重要基礎(chǔ)，其產(chǎn)品技術(shù)及其自動(dòng)化或智能化成都直接或間接的體現(xiàn)出國內(nèi)工業(yè)的現(xiàn)代化水平。PLC控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。近年來由于微機(jī)處理芯片及相關(guān)元件的價(jià)格大大的下降和PLC的功能大幅度的提高使得PLC的應(yīng)用范圍在迅速擴(kuò)大。目前PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。數(shù)控行業(yè)也不例外，當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向是開放式數(shù)控系統(tǒng)。以PC為硬件平臺(tái)，用軟件實(shí)現(xiàn)PLC功能的軟件PLC技術(shù)已經(jīng)成為開放式數(shù)控系統(tǒng)中PLC的發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。PLC的功能及工作原理數(shù)控系統(tǒng)的PLC技術(shù)數(shù)控技術(shù)是科技發(fā)展中最為關(guān)鍵也是最常用控制技術(shù)，在數(shù)控自動(dòng)化行業(yè)中常用的控制單元是PLC,PLC控制單元在各個(gè)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。自數(shù)控系統(tǒng)引入控制單元以來，數(shù)控技術(shù)主要用來控制機(jī)床的各項(xiàng)電氣設(shè)備以及伺服電機(jī)。在現(xiàn)階段的控制系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化的首選技術(shù)，數(shù)控機(jī)床中PLC控制單元主要作用是配合數(shù)控系統(tǒng)來共同完成對(duì)機(jī)床的數(shù)字量控制和開關(guān)量控制。PLC是一種可編程邏輯控制器件，由于它的處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、計(jì)數(shù)速度快、邏輯和順序控制準(zhǔn)確，還附有定位通訊等功能，在現(xiàn)今的數(shù)控自動(dòng)化領(lǐng)域PLC成為工控領(lǐng)域的支柱之一。PLC的工作原理內(nèi)嵌式和獨(dú)立式的PLC在CNC系統(tǒng)中完成的控制任務(wù)是相同的。它們主要是完成除了刀具軌跡控制以外的電氣設(shè)備的邏輯開關(guān)量控制，PLC是位于CNC系統(tǒng)和機(jī)床之間，完成機(jī)床各機(jī)械執(zhí)行結(jié)構(gòu)單元的邏輯順序控制。CNC系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的加工任務(wù)中主要完成設(shè)備加工參數(shù)的配置、加工線程之間的管理調(diào)度、以及加工軌跡的運(yùn)動(dòng)控制。PLC和數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的加工任務(wù)中是相輔相成的，兩者協(xié)調(diào)調(diào)度機(jī)床的開關(guān)信息共同完成機(jī)床的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)控PLC系統(tǒng)的工作方式是采用掃描方式，在PLC系統(tǒng)的工作過程分為三個(gè)階段：采樣輸入階段，程序執(zhí)行階段，輸出控制階段。采樣輸入階段：采集現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸入模塊并傳送到輸入映像。程序執(zhí)行階段：用戶編寫的PLC邏輯控制程序，按照PLC梯形圖執(zhí)行先上后下，先左后右的準(zhǔn)則來執(zhí)行用戶程序。并把處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到輸入映像區(qū)，為下次的系統(tǒng)調(diào)用做準(zhǔn)備或者直接作為機(jī)床的控制輸出。輸出控制階段：用戶程序掃描完成以后，開始掃描輸出服務(wù)，數(shù)據(jù)寄存器提取輸出映像中的狀態(tài)數(shù)據(jù)、并傳遞給輸出模板進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換成功的模板送到控制現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)執(zhí)行文件。掃描的過程如圖2.2所示：圖2.2PLC的工作掃描過程數(shù)控機(jī)床上PLC的類型目前PLC已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床基本的不可缺少的控制裝置，數(shù)控機(jī)床中根據(jù)PLC控制單元的存在形式，PLC可以分為兩類：獨(dú)立式PLC和內(nèi)嵌式PLC。獨(dú)立型：就是我們通常所說的通用型的PLC，獨(dú)立式的PLC完全獨(dú)立于CNC裝置，它不占用CNC系統(tǒng)的資源，它具有完備的硬件資源、也有完整的程序編輯軟件，在數(shù)控系統(tǒng)加工控制中能夠獨(dú)立的完成設(shè)備的控制任務(wù)。獨(dú)立型的特點(diǎn)如下：（1）具備完整的硬件結(jié)構(gòu)體系和外圍的硬件驅(qū)動(dòng)電路，控制單元本身具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的RAM，控制單元本體的CPU內(nèi)存來存儲(chǔ)功能代碼，在系統(tǒng)控制任務(wù)中能夠完成機(jī)床設(shè)備的邏輯控制。（2）獨(dú)立PLC有自己的IO接口體系模塊，但是由于PLC的IO口的數(shù)量有限，在使用中需要擴(kuò)展。獨(dú)立PLC的IO接口對(duì)象是自動(dòng)化控制設(shè)備，在大量的并行控制系統(tǒng)中，獨(dú)立性的PLC在控制上顯得尤為不足。內(nèi)嵌式：是指PLC包含在數(shù)控系統(tǒng)中，內(nèi)嵌式PLC與傳統(tǒng)的PLC控制單元在邏輯控制功能上是相同的。但是它從屬于CNC，寄宿在CNC系統(tǒng)中，成為CNC系統(tǒng)集成不可分割的一部分。內(nèi)嵌式PLC在宿主CNC系統(tǒng)中，共用系統(tǒng)的硬件資源。PLC與CNC的數(shù)據(jù)信號(hào)處理和交互都是由內(nèi)部的函數(shù)和共享內(nèi)存來完成。而PLC與機(jī)床之間的信號(hào)，則是通過PC機(jī)的PCI總線由IO接口電路來實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)嵌式的特點(diǎn)如下：（1）寄宿在CNC系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里面，占用它們的內(nèi)部資源。（2）用戶可以根據(jù)需要根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)自定義開發(fā)指令代碼。（3）不需要單獨(dú)的IO驅(qū)動(dòng)電路，以PC機(jī)的PCI總線為通訊方式，通過CNC的IO的板卡接口完成數(shù)據(jù)的輸入輸出功能。PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用編譯功能的實(shí)現(xiàn)編輯功能是對(duì)梯形圖元件的編輯。由于梯形圖在繪制的時(shí)候是按單元格進(jìn)行繪制的，不同元件所占的單元格大小可能會(huì)有一定的差異，但是可以總體上分為兩大類。1.基本元件單元基本元件在梯形圖顯示中所占的空間大小都相同，是一個(gè)定值，在實(shí)現(xiàn)的過程中有一定的相關(guān)性。如圖3-1所示梯形圖基本元件包括常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、輸出觸點(diǎn)、輸出取反、復(fù)位和置位。此外，繪制橫線、繪制豎線也可以歸納在這一類中。圖3.1梯形圖基本元件2.功能元件數(shù)控機(jī)床在順序控制的時(shí)，對(duì)譯碼、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)的四則運(yùn)算等功能靠基本單元實(shí)現(xiàn)起來會(huì)很困難，因此，設(shè)計(jì)了具有專用控制的子程序，即功能塊來簡化編程。功能塊的引入，將大大降低了編程的難度。數(shù)控機(jī)床PLC常用的功能塊包括：延時(shí)導(dǎo)通定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、邏輯乘數(shù)據(jù)傳送、數(shù)值大小判別、一致性檢測(cè)等。圖3.2梯形圖的功能元件規(guī)范的梯形圖的邏輯關(guān)系都對(duì)應(yīng)著一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。若要得到PLC梯形圖的相應(yīng)的指令語言，就要找到和梯形圖對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遍歷。本研究采用棧的方式，將梯形圖的邏輯進(jìn)行處理。棧是一種特殊的表，這種表的數(shù)據(jù)操作只能在表頭和表尾進(jìn)行。表3-3就是編譯過程中需要的主要變量及其對(duì)應(yīng)的解釋。表3-3編譯過程需要的變量變量注釋LineKind用于判斷一行的4種情況Nodc[TOTALROW]用于梯形圖向指令表轉(zhuǎn)換時(shí)的節(jié)點(diǎn)信息記錄Culn指令表當(dāng)前行CuLad梯形圖當(dāng)前行CuLadScc梯形圖當(dāng)前梯級(jí)的首行ORBANBstart[TOTALROW][124]記錄在插入并聯(lián)串聯(lián)初始位置ORBANBend[TOTALROW][124]記錄在插入并聯(lián)串聯(lián)結(jié)束位置ORBANB[TOTALROW][124]記錄串聯(lián)和并聯(lián)：O=null;l=并聯(lián)；2=串聯(lián)OAstart[TOTALROwW]記錄在插入并聯(lián)串聯(lián)總的初始位置OAcnd[TOTALROW]記錄在插入并聯(lián)串聯(lián)總的結(jié)束位置InsertStack[TOTALROW]記錄插入串并聯(lián)的當(dāng)前堆棧位置圖3-4就是編譯過程的流程圖。在譯碼的過程中可以對(duì)梯形圖進(jìn)行檢錯(cuò)，如果有錯(cuò),就會(huì)報(bào)錯(cuò)提示修改。圖3.4算法的流程圖3-5算法邏輯的流程圖圖3-5是算法的邏輯執(zhí)行的流程圖。由于棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在只能在表頭進(jìn)行插入和刪除操作，因此在壓棧以前要對(duì)梯級(jí)進(jìn)行判斷和串并聯(lián)指令的插入到斷。下面的程序是插入串并聯(lián)處理都分關(guān)鍵代碼：if(CuLad>0){//插入串并聯(lián)開始vc=O；//插入串并聯(lián)的序號(hào)while(wc<TOTALRow){while(InsertStack[vc]>0){vb=ORBANBend[vc][InsertStack[vc];if(ORBANB[vc][InsertStack[vc]]=1){if(TotalLine>1000){ErrorOnIns(CuLad,1);returnl;}//報(bào)錯(cuò)unsignedshortdh=CuIn;while(dh>Node[vb]){Instruct[dh+1]=Instruct[dh];dh=dh-l;}CuIn=Culn+1;Instruct[Node[vb]+1].Order=8;Instruct[Node[vb]+1].Name=O;Instruct[Node[vb]+1].Code=O;Instruct[Node[vb]+1].I_Bit=0for(shortuu=vb;uu<TOTALROW;uu++)Node[uu]=Node[uu]+1;}｝//處理并聯(lián)部分的程序elseif(ORBANB[vc][InsertStack[vc]]==2)｛if(TotalLine>1000){ErrorOnIns(CuLad,1);returnl;}//報(bào)錯(cuò)unsignedshortdh-CuIn;while(dh>Node[vb]){Instruct[dh+1]=Instruct[dh];dh=dh-l;｝CuIn=CuIn+1;Instruct[Node[vb]+1].Order=7;Instruct[Node[vb]+1].Name=O;Instruct[Node[vb]+1].Code=O,Instruct[Node[vb]+1].l_Bit=0;for(shortuu=vb;uu<TOTALROW;uu++){Node[uu]=Node[uu]+1;}｝//處理串聯(lián)部分的程序ORBANBstart[vc][InsertStack[vc]]--8;ORBANBend[vc][InsertStack[vc]]=-8;InsertStack[vc]=InsertStack[vc]-1;｝vc=vc+1;}}//插入串并聯(lián)結(jié)束對(duì)串并聯(lián)邏輯的插入與否的判斷和對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行整理,將邏輯情況逐個(gè)壓入鏈表中，最終就實(shí)現(xiàn)了梯級(jí)的邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)化的過程。并且在這個(gè)過程中，對(duì)每一個(gè)元件進(jìn)行判斷，梯形圖在轉(zhuǎn)化成指令語言的同時(shí)可以對(duì)梯形圖進(jìn)行檢錯(cuò)。梯形圖編輯環(huán)境是PLC開發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分,也是最為重要的一部分。梯形圖能夠使編程用戶直觀地觀測(cè)自己的編程意圖，開發(fā)系統(tǒng)的編輯模塊為用戶提供的邏輯程序編輯的操作界面。編輯模塊的實(shí)現(xiàn)就是依據(jù)上述IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)設(shè)計(jì)的，本系統(tǒng)開發(fā)的梯形圖邏輯程序編輯模塊主要有以下三個(gè)功能：邏輯梯形圖功能圖元的繪制，圖元繪制的過程就是邏輯梯形圖編輯的過程。對(duì)梯形圖程序進(jìn)行修改和完善（包括插入、刪除、更改……)。邏輯圖元的保存和加載功能。PLC梯形圖邏輯程規(guī)則以及編程指令規(guī)范都是根據(jù)IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)定義的，綜合開發(fā)者和使用者的需求來規(guī)定程序的編輯規(guī)則和要求。目前，主流數(shù)控市場(chǎng)的PLC語言規(guī)則和編輯的邏輯要求都是自定義的(如日本Fanuc的軟PLC系統(tǒng))﹐自定義的編輯規(guī)則和邏輯要求，主要是便于客戶運(yùn)用和后期的維護(hù)和修改。本次開發(fā)的軟PLC的編程規(guī)則和主流PLC準(zhǔn)則相似。根據(jù)邏輯程序編輯的需要,開發(fā)了編程的快捷圖標(biāo)，具體的如圖3-3所示。圖3.3編程快捷圖標(biāo)工具欄快捷圖標(biāo)的確立主要是根據(jù)梯形圖的編程需要設(shè)計(jì)的，它主要是包括繪圖、畫線、刪除圖元器件、刪除一行等工具快捷方式。在梯形圖邏輯程序的編輯過程中需要繪制相關(guān)圖元時(shí)，只需在相應(yīng)的快捷圖標(biāo)上點(diǎn)擊或者通過鍵盤上面的快捷鍵即可完成想要的操作。利用快捷圖標(biāo)的方式來添加邏輯圖元即簡單又直觀，編輯效率明顯提高。下位機(jī)界面和基本功能的實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)相對(duì)于PC稱之為下位機(jī)，實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)本身也有上位機(jī)和下位機(jī)之分。這里將數(shù)控系統(tǒng)的界面部分稱之為上位機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)的底層運(yùn)動(dòng)控制部分為下位機(jī)。TDNC-SX數(shù)控系統(tǒng)上的PLC為了和工業(yè)PLC進(jìn)行區(qū)別，這里稱之為PMC。下位機(jī)界面（PMC）包括以下幾部分功能：梯形圖的顯示、編輯、PMC參數(shù)、FO、指令譯碼。如圖3-4所示。圖3.4PMC功能的菜單設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)上PMC的顯示和上位機(jī)的PLC梯形圖的顯示應(yīng)該保持一致,因此，數(shù)控系統(tǒng)PMC梯形圖的單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該與上位機(jī)的保持一致。在文件的打開和存儲(chǔ)的方式也應(yīng)該保持一致。梯形圖在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，結(jié)構(gòu)體就要進(jìn)行賦值，這樣梯形圖就能直接打開，為了避免每次進(jìn)入梯形圖界面的時(shí)候重復(fù)賦值，在文件打開intPLCFileOpen(void)這個(gè)函數(shù)里加入如下語句：staticFILE*stream;if(stream==NULL)｛/**/｝這里面梯形圖的顯示和上位機(jī)顯示的情況略有差異，主要是數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面的環(huán)境沒有VC++下人性化，尤其在翻頁處理上。翻頁部分一方面是基本元件潮頁的實(shí)現(xiàn)，另一方面是功能塊的翻頁，由于功能塊的數(shù)據(jù)類型也是按單元格劃分的，因此在翻頁實(shí)現(xiàn)的時(shí)候也可以以單元格為單位進(jìn)行處理。voidDrawPart(U16hor，U16ver)W//兩個(gè)參數(shù)是單元格的梯形圖橫縱坐標(biāo)實(shí)際梯形圖的行數(shù)應(yīng)該有若干行。在實(shí)際情況下，一頁的屏幕不能顯示所有的梯形圖，只能顯示一部分的梯形圖。這樣，在顯示的時(shí)候只需要顯示出屏幕上能夠顯示的行數(shù)的梯形圖即可。TDNC-SX數(shù)控機(jī)床的顯示屏幕的分辨率為600*800的分辨率。屏幕上除了梯形圖還要顯示標(biāo)題欄，狀態(tài)欄，操作欄。這樣，經(jīng)過分析最后確定每個(gè)梯形圖的行距63，列距為45，每頁梯形圖顯示的行數(shù)為7行，12列。梯形圖的頁面顯示的流程圖如圖3-5所示，主要是梯形圖顯示的過程中，對(duì)于翻頁功能的處理。圖3.5梯形圖頁面顯示功能流程圖梯形圖在顯示過程中還有功能塊的顯示，理論上功能塊應(yīng)該作為一個(gè)整體來顯示的，但是由于功能塊對(duì)空間的需求比較大，在顯示的過程中可能由于功能塊位于首行和末行的時(shí)候會(huì)顯示不完整。為了克服這個(gè)問題，功能塊在顯示的時(shí)候也是作為單元格處理的。監(jiān)視和狀態(tài)顯示功能的實(shí)現(xiàn)PMC在循環(huán)掃描的過程中，內(nèi)部寄存器的值在不斷的刷新。數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)可以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行讀取，并顯示在系統(tǒng)的屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床的狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。PMC的監(jiān)視主要分為梯形圖元件狀態(tài)的顯示和I/O點(diǎn)的通斷狀態(tài)顯示。一般來講，梯形圖元件通斷狀態(tài)的顯示要比I/O狀態(tài)的顯示要更為直觀一些。PMC有專門的內(nèi)部寄存器，內(nèi)部寄存器的值為單元的狀態(tài)信息。因此，只要將數(shù)控機(jī)床的上位機(jī)獲得PMC內(nèi)部寄存器的值，就可以轉(zhuǎn)為I/O狀態(tài)的值，并且顯示的屏幕上。讀取信號(hào)由下面這個(gè)函數(shù)完成：charGetPMCIOMessage(char*BitMessage，intStartPage，intRowOfPage)//讀取PMC的I/O位說明信息，按行讀取，成功則返回值為1，失敗則返回值為0。顯示和刷新由下面的函數(shù)完成：voidSysDrawPMCPage(charneedupdate)//刷新顯示I/O輸入輸出點(diǎn)信號(hào)同時(shí)由于I/O點(diǎn)比較多，一頁屏幕不可能全部顯示。因此還會(huì)有相應(yīng)的翻頁和查找功能。voidPMCIOViewSel(PCKEYpckey)//光標(biāo)移動(dòng)和翻頁功能charSearchPLCIOBit(constchar*inbuffer)//查找I/O，成功返回值為1，失敗則為0經(jīng)過上述的方法就可以實(shí)現(xiàn)I/O點(diǎn)的通斷狀態(tài)的顯示。另外PMC的I/O還可以進(jìn)行強(qiáng)制置位，便于PMC的監(jiān)測(cè)和調(diào)試。charChangePLCIOBit(BOOLEANOnOff)梯形圖的狀態(tài)顯示和I/O狀態(tài)的顯示有一定的聯(lián)系,梯形圖元件和系統(tǒng)的I/O點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。因此，可以通過讀取I/O點(diǎn)的狀態(tài)來判斷梯形圖的元件的狀態(tài)。判斷的流程是逐個(gè)元件的去對(duì)應(yīng)I/O點(diǎn)，然后讀取I/O點(diǎn)的狀態(tài)。前面介紹了梯形圖的結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體有一部分還