可編程控制器在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用

姜廣政

可編程控制器是工業(yè)環(huán)境下專(zhuān)門(mén)應(yīng)用的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。通過(guò)實(shí)踐與深入研究，筆者提出了利用編程控制器控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的方法。

一、數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的基本原理是，當(dāng)加工程序被送入數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置后，數(shù)控裝置對(duì)其進(jìn)行譯碼、寄存和運(yùn)算處理，然后以脈沖的形式向伺服系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)。伺服系統(tǒng)接到控制控制信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)嚴(yán)格按照指令的要求進(jìn)行移動(dòng)，從而控制刀具與零件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)按其控制的運(yùn)動(dòng)軌跡劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、輪廓控制系統(tǒng)。在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孔加工機(jī)床上(例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數(shù)控機(jī)床)，其特點(diǎn)是，機(jī)床移動(dòng)部件能準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但不用考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過(guò)程中刀具不切削工件。

二、電力線通信（PLC）在數(shù)控機(jī)床中的功能

1．機(jī)床操作面板控制

將機(jī)床操作面板上的控制信號(hào)直接送入PLC，以控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行。

2．開(kāi)關(guān)控制信號(hào)控制

將開(kāi)關(guān)控制信號(hào)送入PLC，經(jīng)邏輯運(yùn)算后，輸出給控制對(duì)象。

3．輸出信號(hào)控制

PLC輸出的信號(hào)經(jīng)電氣柜中的繼電器、接觸器，通過(guò)機(jī)床側(cè)的液壓或氣動(dòng)電磁閥，對(duì)刀庫(kù)、機(jī)械手和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等裝置進(jìn)行控制，另外對(duì)冷卻泵電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑泵電動(dòng)機(jī)及電磁制動(dòng)器等進(jìn)行控制。

4．伺服控制

控制主軸和伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置的使能信號(hào)，以滿足伺服驅(qū)動(dòng)的條件，通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)主軸電動(dòng)機(jī)、伺服進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)等。

三、控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的問(wèn)題

1．處理好保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在極低頻下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速必然很低。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當(dāng)量即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角時(shí)刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的距離又不能太大，這兩個(gè)因素合在一起帶來(lái)了一個(gè)突出問(wèn)題：定位時(shí)間太長(zhǎng)。因此，如何既能提高定位速度，同時(shí)又能保證定位精度是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。

2. 防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步和誤差

步進(jìn)電機(jī)是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制中，可利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在開(kāi)環(huán)控制中，步進(jìn)電機(jī)由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產(chǎn)生脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)可以有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路，進(jìn)一步提高可靠性。但由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作，掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，受此影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作。

四、控制系統(tǒng)方案

要獲得高的定位速度，同時(shí)又要保證定位精度，可以把整個(gè)定位過(guò)程調(diào)整為兩個(gè)階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個(gè)階段均采用相同頻率的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，但采用不同的脈沖當(dāng)量。粗定位階段：由于在點(diǎn)位過(guò)程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當(dāng)量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位階段：當(dāng)使用較大的脈沖當(dāng)量使刀具或工作臺(tái)快速移動(dòng)至接近定位點(diǎn)時(shí)（即完成粗定位階段），為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當(dāng)量進(jìn)入精定位階段，讓刀具或工作臺(tái)慢慢趨近于定位點(diǎn)，例如取脈沖當(dāng)量為0.01mm/步。盡管脈沖當(dāng)量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此不會(huì)影響定位速度。

應(yīng)用功能指令實(shí)現(xiàn)BCD碼撥盤(pán)數(shù)據(jù)輸入 ，目前較為先進(jìn)的PLC不僅滿足順序控制要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐富的功能指令。 選用BCD碼撥盤(pán)裝置應(yīng)用于PLC控制的系統(tǒng)，這樣無(wú)需再設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路，有效地節(jié)省了PLC的輸入點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件電路，并利用先進(jìn)的功能指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，因此能極方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如計(jì)數(shù)器設(shè)定值的修改等），若配合簡(jiǎn)單的硬件譯碼電路，就可顯示有關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化（如電機(jī)步數(shù)的遞減變化等）。為避免在系統(tǒng)運(yùn)行中撥動(dòng)撥盤(pán)可能給系統(tǒng)造成的波動(dòng)，最好設(shè)置一輸入鍵，當(dāng)確認(rèn)各片撥盤(pán)都撥到位后再按該鍵，這時(shí)數(shù)據(jù)才被PLC讀入并處理。

應(yīng)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的方法能滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中切實(shí)可做。該控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等優(yōu)點(diǎn)。

(作者單位：山東省濟(jì)寧市技術(shù)學(xué)院)