PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中應用技術

1、題目PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中地應用班級學生姓名實習單位指導老師日 期PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中地應用摘要：近年來,PLC在工業(yè)自動控制領域應用愈來愈廣,它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出地綜合 優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬地隨著PLC技術地發(fā)展，它 在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面地應用也越來越多. 在機床地實際設計和生產(chǎn)過程中，為了提高數(shù)控機床加工地 精度,對其定位控制裝置地選擇就顯得尤為重要永宏FBs系 列PLC地NC定位功能較其它PLC更精準，且程序地設計和調(diào) 試相當方便.本文提出地是如何應用永宏PLC地NC定位控制實現(xiàn)機 床數(shù)控系統(tǒng)控制功能地方法來滿足控制要求,在實際運

2、行中 是切實可行地整機控制系統(tǒng)具有程序設計思路清晰、硬件 電路簡單實用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好地性能 價格比等顯著優(yōu)點，其軟硬件地設計思路可供工礦企業(yè)地相 關數(shù)控機床設計改造借鑒.關鍵詞：PLC；數(shù)控機床控制系統(tǒng)；應用；維護前言 可編程序控制器（PLC）主要以計算機地微處理器為基礎，綜 合計算機地應用技術、通訊技術以及自動控制技術而發(fā)展起 來地一種通用控制器雖然PLC由較為復雜地微處理器組成， 但是在實際應用過程中，完全不必了解微處理器地內(nèi)部結(jié)構(gòu). 最初,PLC還僅是作為繼電器接觸器控制系統(tǒng)地替代品，而自 從進入數(shù)控機床控制系統(tǒng)領域后，凸顯了其獨有地優(yōu)越性， 以其自身強大地抗干擾能力

3、、自診斷功能等，提高了數(shù)控機 床控制系統(tǒng)地可靠性，基本解決了普通繼電器及接觸器中常 見地故障問題，經(jīng)過調(diào)試后可長期安全可靠地運行.本文將對PLC地特點、基本工作過程、機床數(shù)控特點原 理、在數(shù)控機床控制中地應用等問題進行分析與闡述.第1章可編程序控制器（PLC）地特點1. 1體積小重量輕超小型地PLC底部尺寸VlOOmm,重量V150g,其功耗僅 為數(shù)瓦由于其體積小，很容易裝入機械中，便于機電一體化 地實現(xiàn).12實用性普遍PLC可適用于各種規(guī)模地電氣控制場合，除了基本地邏輯 處理功能之外，當前大多PLC具有數(shù)據(jù)運算能力，并可應用于 數(shù)字控制領域中近年來,PLC地功能日益完善,PLC地應用已 經(jīng)普

4、遍到溫度控制、位置控制及CNC等多個控制領域. 13抗干擾能力強由于PLC采用了現(xiàn)代化地大規(guī)模集成電路技術，在內(nèi)部電 路、生產(chǎn)工藝等方面均采取先進地抗干擾處理技術，具有較 高地可靠性另外,PLC還自備硬件故障自動檢測功能，一旦 出現(xiàn)故障即可發(fā)出警報在軟件應用中，應用者還可編入外 圍器件地自診斷故障程序,讓系統(tǒng)中岀了 PLC之外地電路與 設備也能獲得自我保護功能.14應用簡單、普遍PLC作為直接面向企業(yè)地工控設備,具有接口容易、編程語言 易于被工程技術人員接受并理解等特點，尤其圖形符號及梯 形圖語言、表達方式等與繼電器電路圖基本類似，只需通過 PLC地少量開關量邏輯控制指令就能熟練實現(xiàn)在電氣控制

5、中 地應用.15維護與改造方便PLC通過存儲邏輯替代了接線邏輯，減少了控制設備外在 地接線，極大減少了控制系統(tǒng)設計和建造地時間，為后期維 護提供了方便，同時程序較易改變，可極快應用于生產(chǎn)過程 地改變.第二章 可編程序控制(PLC)地基本工作過程PLC及相關外圍設備地設計原則應滿足“與工業(yè)控制系統(tǒng)為 一個整體、方便功能擴展”，所有地電氣控制系統(tǒng)地實現(xiàn)都是 根據(jù)工藝要求，最終提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量因此，在設計 PLC控制系統(tǒng)時，應滿足被控對象地基本要求,并對實際工作 現(xiàn)場進行研究、收集資料，并實現(xiàn)設計人員與操作人員地密 切配合，共同擬定可操作方案，對可能潛在地問題進行共同 分析、共同解決并在滿足各

6、方控制要求地前提下，考慮控制 系統(tǒng)地簡單性與經(jīng)濟性，方便后期地使用及維修，并確保電 氣控制地安全性、穩(wěn)定性PLC在電氣控制中地基本工作過程 為：（1）現(xiàn)場信息地輸入：在系統(tǒng)軟件地控制下，按照順序 對輸入點進行掃描，并讀取輸入點地狀態(tài).（2）程序地執(zhí)行：對用戶程序中地指令按順序掃描，并 根據(jù)輸入地狀態(tài)及指令進行邏輯性運算.（3）控制信號地輸出：根據(jù)以上邏輯運算地結(jié)果，輸出 狀態(tài)寄存器向各個輸出點同時發(fā)岀相應地信號，以實現(xiàn)所需 地邏輯控制功能.以上過程完成后，再重新開始，并反復執(zhí)行，每執(zhí)行一次 即完成一個掃描周期.在實際應用時，很多機械設備地工作 流程可分為一系列不斷重復地順序動作，而PLC地工作

7、程序 恰與其相似，因此PLC程序能很好地與機器動作相對應，且程 序地編制簡單、直觀，易于修改，減少了開發(fā)軟件地費用，并 縮短軟件開發(fā)周期.第三章數(shù)控機床3. 1數(shù)控機床組成結(jié)構(gòu)及工作過程本例數(shù)控機床由輸入、輸出裝置、數(shù)控裝置、可編程控制器、 伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置和機床主機等組成，如圖1所示.圖1數(shù)控機床組成機構(gòu)圖輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計算機在數(shù)控機床產(chǎn)生 地初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現(xiàn)已趨于淘汰。目前,使用鍵 盤、磁盤等，大大方便了信息輸入工作輸出指輸出內(nèi)部工作 參數(shù)（含機床正常、理想工作狀態(tài)下地原始參數(shù)，故障診斷參 數(shù)等），一般在機床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保存， 待工作一段

8、時間后，再將輸出與原始資料作比較、對照，可幫 助判斷機床工作是否維持正常數(shù)控裝置是數(shù)控機床地核心 與主導，完成所有加工數(shù)據(jù)地處理、計算工作,最終實現(xiàn)數(shù)控 機床各功能地指揮工作它包含微計算機地電路，各種接口 電路、CRT顯示器等硬件及相應地軟件可編程控制器對主軸 單元實現(xiàn)控制，將程序中地轉(zhuǎn)速指令進行處理而控制主軸轉(zhuǎn) 速。管理刀庫,進行自動刀具交換、選刀方式、刀具累計使 用次數(shù)、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數(shù)等管理?？刂浦鬏S正 反轉(zhuǎn)和停止、準停、切削液開關、卡盤夾緊松開、機械手取 送刀等動作。還對機床外部開關（行程開關、壓力開關、溫 控開關等）進行控制。對輸出信號（刀庫、機械手、回轉(zhuǎn)工作 臺等）進行控

9、制檢測反饋裝置由檢測元件和相應地電路組 成，主要是檢測速度和位移，并將信息反饋于數(shù)控裝置，實現(xiàn) 閉環(huán)控制以保證數(shù)控機床加工精度數(shù)控機床地工作過程如 圖2所示.圖2數(shù)控機床地工作過程框圖數(shù)控加工地準備過程較復雜，內(nèi)容多，含對零件地結(jié)構(gòu)認識、 工藝分析、工藝方案地制訂、加工程序編制、選用工裝及使 用方法等機床地調(diào)整主要包括刀具命名、調(diào)入刀庫、工件 安裝、對刀、測量刀位、機床各部位狀態(tài)等多項工作內(nèi)容.程序調(diào)試主要是對程序本身地邏輯問題及其設計合理性進 行檢查和調(diào)整試切加工則是對零件加工設計方案進行動態(tài) 下地考察,而整個過程均需在前一步實現(xiàn)后地結(jié)果評價后再 作后一步工作試切成功后方可對零件進行正式加工

10、，并對 加工后地零件進行結(jié)果檢測前三步工作均為待機時間，為 提高工作效率，希望待機時間越短越好，越有利于機床合理 使用該項指標直接影響對機床利用率地評價（即機床實動 率）.3. 2機床數(shù)控系統(tǒng)需要解決地幾個問題機床是由機械和電氣兩部分組成,在設計總體方案時應 從機電兩方面來考慮機床各種功能地實施方案，數(shù)控機床地 機械要求和數(shù)控系統(tǒng)地功能都很復雜，所以更應機電溝通, 揚長避短機床控制系統(tǒng)選件、裝配、程序編制及操作都應 該比較合理，精度和穩(wěn)定性都必須滿足使用要求.同時為便 于調(diào)試和檢修，各項操作均設手動功能，如手動各軸快慢移 動、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、切削液及潤滑開關等PLC按照邏輯條 件進行順序動作或

11、按照時序動作，另外還有與順序、時序無 關地按照邏輯關系進行聯(lián)鎖保護動作地控制,PLC發(fā)展成了 取代繼電器線路和進行順序控制地主要產(chǎn)品，在機床地電氣 控制中應用也比較普遍.在實際控制中如何既能提高定位速度，同時又能保證定 位精度是一項需要認真考慮并切實加以解決地問題精度是 機床必須保證地一項性能指標位置伺服控制系統(tǒng)地位置精 度在很大程度上決定了數(shù)控機床地加工精度因此位置精度 是一個極為重要地指標為了保證有足夠地位置精度，一方 而是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)地大小，另一方面是對位 置檢測元件提出精度地要求.因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對于 檢測元件本身地誤差和被檢測量地偏差是很難區(qū)分岀來地, 反饋檢測元

12、件地精度對系統(tǒng)地精度常常起著決定性地作用. 高精度地控制系統(tǒng)必須有高精度地檢測元件作為保證.當現(xiàn) 場條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)地某些控制參數(shù)必須能作相應地修 改，為滿足生產(chǎn)地連續(xù)性，要求對控制系統(tǒng)可變參數(shù)地修改 應在線進行盡管使用編程器可以方便快速地改變原設定參 數(shù),但編程器一般不能交現(xiàn)場操作人員使用。所以，應考慮開 發(fā)其他簡便有效地方法實現(xiàn)PLC地可變控制參數(shù)地在線修改. 另外為了防止電壓過高損壞PLC,電源輸入端加上壓敏電阻. 為了防止過熱，PLC不許安裝在變壓器等發(fā)熱元件地正上方， 變頻器與PLC、伺服驅(qū)動器等保持一定距離在元件間留有適 當?shù)乜障?，以便散熱，并且在配電箱上安裝風扇降溫此外， 為

13、保證控制系統(tǒng)地安全與穩(wěn)定運行，還應解決控制系統(tǒng)地安 全保護問題,如系統(tǒng)地行程保護、故障元件地自動檢測等.第四章在數(shù)控機床控制中地應用4. 1永宏FBs系列PLC地NC機床定位伺服控制系統(tǒng)分析數(shù)控機床是一種高精度、高效率地自動化設備，提高數(shù)控機 床地可靠性就顯得尤為重要可靠度是評價可靠性地主要定 量指標之一，其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完 成規(guī)定功能地概率對數(shù)控機床來說,這里地功能主要指數(shù) 控機床地使用功能，例如數(shù)控機床地各種機能，伺服性能等. 數(shù)控機床地功能部件對機床地功能擴展和性能地提升起著 極為重要地作用，因此，它不同于一般配套件和附件地選用， 不僅須與數(shù)控機床地整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)

14、調(diào)，融入整機系統(tǒng)具有 最佳地匹配性能,而且還能很好地彰顯出該數(shù)控機床地個性 化特征用于高速化地數(shù)控系統(tǒng)不能僅是提高數(shù)據(jù)處理能力, 而是應具備熱誤差補償單元以及能實現(xiàn)速度前瞻控制、位置 環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn)控制等先進控制技術地功能所以 必須選擇穩(wěn)定可靠地控制單元才能保證數(shù)控機床正常高效 運行.鑒于以上各項要求，筆者采用臺灣永宏電機股份有限公司地 FBs-44MN PLC作為該機床控制主單元，該型機具有較高地性 價比,體積小，使用起來非常方便，接線簡捷其編程軟件Win Proladder有梯形圖大師之稱，易學易用且功能強大,編輯、 監(jiān)視、除錯等操作非常順手，按鍵、鼠標并用及在線即時指 令功能查詢

15、與操作指引，使編輯、輸入效率倍增同時配以人 機界面進行程序參數(shù)修改、設定以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可 編程設置人機界面地內(nèi)容該控制系統(tǒng)具有可靠性高，價格 便宜，結(jié)構(gòu)緊湊等特點，非常適合機床地控制要求，具體控制 思路如圖3所示.臚左 res-r la&其他人機霽面圖3采用永宏PLC FBS-44MN地NC機床定位電氣控制系統(tǒng)圖可編程邏輯控制器是該機床各項功能地邏輯控制中心，集成 于數(shù)控系統(tǒng)中，主要是指控制軟件地集成化，而PLC硬件則在 規(guī)模較大地系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu).由圖3可以看出，系 統(tǒng)控制中心采用永宏PLC FBS-44MN控制，并配以人機界面進 行程序參數(shù)修改、設定，以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，

16、可編程設置 人機界面地內(nèi)容三軸均為全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，各軸伺服 電機通過連軸器帶動滾珠絲杠，以移動配有直線導軌地工作 臺和主軸銃頭，其定位準確，速度快主軸銃頭由變頻器控制, 根據(jù)刀具及工件和進給量，來設置主軸合理地轉(zhuǎn)速，并在程 序中設定它地啟動停止各軸均設二端極限傳感器和原點傳 感器,冷卻和潤滑也都有異常檢測，在報警燈和人機界面處 顯示報警信息由光柵、感應同步器等位置檢測裝置測得地實 際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者地差值放 大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定地速度向著消除偏差地方 向運動，直到給定位置與反饋地實際位置地差值等于零為止. 閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高

17、，對 環(huán)境室溫要求嚴設計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難但是可以獲 得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高地精度，更快地速度，驅(qū)動功率更大 地特性指標早期使用一般電機作為定位控制，由于速度不 快、或者精度要求不高，所以足夠應對所需場合。當機械運 轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時，當產(chǎn)品質(zhì)量、精度要求越 來越高時，電機停止位置地控制就不是一般電機所能達到地 了.解決這一問題地最佳方法是采用NC定位控制配合步進或 伺服電機作定位控制但在過去，由于它地價格很高,而限制 了它使用地普遍性，近年來由于技術地發(fā)展及成本地降低， 其價位已被用戶所接受,使用數(shù)量也越來越多為配合這一 趨勢，永宏PLC FBs系列將目前市而上專用地NC定位控制器

18、 功能整合在PLC內(nèi)部SoC芯片內(nèi)，除了免掉PLC與專用NC 定位控制器之間復雜地數(shù)據(jù)交換與連結(jié)程序外，更大幅降低 整體成本，為用戶提供一種價廉物美、簡單方便地PLC整合N C定位控制地方案永宏PLC FBS-44MN內(nèi)部地SoC芯片含有 多軸高速脈沖輸岀以及高速硬件計數(shù)器，并且提供簡易使用 和設計地定位程序編輯，對于這方面地應用，更是如虎添翼、 如魚得水、得心應手了PLC結(jié)合伺服驅(qū)動器所構(gòu)成地NC閉 環(huán)回路控制系統(tǒng)中,PLC負責發(fā)送高速脈沖命令給伺服驅(qū)動 器,除了裝在伺服電機地位移檢測信號直接反饋到伺服驅(qū)動 器外,外加位移檢測器裝在傳動機構(gòu)之后，真正反映實際位 移量，并將此信號反饋到PLC內(nèi)

19、部地高速硬件計數(shù)器，這樣 就可作更精確地控制，并且可避免上述半閉環(huán)回路地缺點. 永宏PLC FBs系列地定位功能將市面上專用NC定位控制器 整合在PLC內(nèi)，使PLC與NC控制器能共享相同地數(shù)據(jù)區(qū)，而 不需要作兩個系統(tǒng)之間地數(shù)據(jù)交換與同步控制等復雜地工 作,但仍可用一般常用地NC定位控制指令（例如DRV、SPD. 等）.PLC控制4軸地定位工作，并可作多軸同動控制，除了提 供點對點地定位速度控制，還提供了各軸間直線插補功能. 當系統(tǒng)應用超過4軸時還可利用永宏PLC地CPU LINK功能 達到更多地定位運動控制數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求地伺服 性能包括:定位速度和輪廓切削進給速度。定位精度和輪廓 切削

20、精度。精加工地表面粗糙度。在外界干擾下地穩(wěn)定性. 這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)地靜態(tài)、動態(tài)特性對閉環(huán)系 統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高地動態(tài)精度，即當系統(tǒng)有一個較 小地位置誤差時，機床移動部件會迅速反應在數(shù)控機床地 加工中，伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點動，要求 進給驅(qū)動具有足夠?qū)挼卣{(diào)速范圍.單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺地調(diào)整中使 用伺服系統(tǒng)最高速度地選擇要考慮到機床地機械允許界限 和實際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動要求 也就更高此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋地 問題,尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理地時 間是否足夠全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件置于

21、被測坐 標軸地終端移動部件上，以檢測機械傳動鏈中螺距誤差、間 隙及各種干擾所造成地傳動誤差，并進行反饋補償控制，從 而提高機床地位置控制精度在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對 位置檢測元件和反饋元件地選擇很關鍵感應同步器具有精 度高、重復性好、抗干擾能力強，耐油耐污及維護簡單等優(yōu) 點，特別適合于高精度全閉環(huán)數(shù)控機床地工作場合數(shù)控機 床要求具備穩(wěn)定性、快速性和準確性,而大型數(shù)控機床地機 械傳動裝置轉(zhuǎn)動慣量較大，固有頻率低，要使其大大高于系 統(tǒng)截止頻率很困難，全閉環(huán)包括了該進給系統(tǒng)軸幾乎所有不 穩(wěn)定地非線性因素，調(diào)整不當很容易使機床產(chǎn)生抖動現(xiàn)彖.因此數(shù)控機床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證快速性地基礎上主要 是解決機

22、床進給運動地穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高 地位置精度伺服電機地編碼器將位移檢測信號反饋到伺服 驅(qū)動器，驅(qū)動器將輸入信號地脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號 地頻率和脈沖數(shù),經(jīng)內(nèi)部地偏差計數(shù)器與頻率轉(zhuǎn)電壓電路處 理后，得到脈沖偏差值與轉(zhuǎn)速誤差值,這樣使控制伺服電機 實現(xiàn)高速、精密地速度與位置閉環(huán)回路處理系統(tǒng)伺服電機地轉(zhuǎn)速與輸入信號地脈沖頻率成正比,而電機地移動量則由脈沖數(shù)決定.圖4是PLC控制下地伺服電機工作示意圖.I UflflSmviMWKim電機1斤荷林沖圖4數(shù)控機床伺服電機工作示意圖42相關程序設計與操作PLC通過編程器輸入程序，達到控制目地.由于PLC工作過程 是循環(huán)，所以程序執(zhí)行速度很快另外軟件故障檢測設計在 采用硬件設計地基礎上采用軟件檢測外部行程開關狀態(tài)，當 行程開關失靈后，通過程序控制停止機床地運行，有效地減 少了機床因元件失靈造成地事故.圖5是使用編程軟件WinProladder編輯定位程序參數(shù)設定 指令圖，圖6是具體操作加工程序圖.wo sxIdio zmtttsnfaL H祕切哥呼：z)wis Ibl . iW|?o ”盤寶廠U|4W ttJhHVifVF也0豪占込丄彥0 C IKUUUiEU|iocoicj t3i8wm.uMeF-Ft HLL匹卜MJUSn_5 IHV