可編程序控制器PLC在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用

1、近年來(lái)，PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái) 愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本 等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢(shì)是其它工控產(chǎn) 品難以比擬的。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，它在 位置控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng) 用也越來(lái)越多。在機(jī)床的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò) 程中，為了提高數(shù)控機(jī)床加工的精度，對(duì)其 定位控制裝置的選擇就顯得尤為重要。永宏FBs系列PLC的NC定位功能較其它PLC 更精準(zhǔn)，且程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試相當(dāng)方便。本 文提出的是如何應(yīng)用永宏 PLC的NC定位 控制實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制功能的方法來(lái) 滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行 的。整機(jī)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

2、 強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其 軟硬件的設(shè)計(jì)思路可供工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù) 控機(jī)床設(shè)計(jì)改造借鑒。數(shù)控機(jī)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(cè)反饋裝置和 機(jī)床主機(jī)等組成，輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計(jì)算機(jī)。在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的初期，輸入裝置為 穿孔紙帶，現(xiàn)已趨于淘汰；目前，使用鍵盤(pán)、 磁盤(pán)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(jī)床正常、理想工作狀 態(tài)下的原始參數(shù)，故障診斷參數(shù)等），一般在 機(jī)床剛工作狀態(tài)需輸出這些參數(shù)作記錄保 存，待工作一段時(shí)間后，再將輸出與原始資 料作比較、對(duì)照，可幫助判斷機(jī)床工作是否 維持正常。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心與主 導(dǎo)，完成所

3、有加工數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算工作， 最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床各功能的指揮工作。它包含微計(jì)算機(jī)的電路，各種接口電路、CRT顯 示器等硬件及相應(yīng)的軟件。 可編程控制器對(duì) 主軸單元實(shí)現(xiàn)控制，將程序中的轉(zhuǎn)速指令進(jìn) 行處理而控制主軸轉(zhuǎn)速；管理刀庫(kù)，進(jìn)行自動(dòng) 刀具交換、選刀方式、刀具累計(jì)使用次數(shù)、 刀具剩余壽命及刀具刃磨次數(shù)等管理；控制主軸正反轉(zhuǎn)和停止、準(zhǔn)停、切削液開(kāi)關(guān)、卡 盤(pán)夾緊松開(kāi)、機(jī)械手取送刀等動(dòng)作；還對(duì)機(jī)床 外部開(kāi)關(guān)（行程開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、溫控開(kāi)關(guān)等） 進(jìn)行控制；對(duì)輸出信號(hào)（刀庫(kù)、機(jī)械手、回轉(zhuǎn) 工作臺(tái)等）進(jìn)行控制。檢測(cè)反饋裝置由檢測(cè)元 件和相應(yīng)的電路組成， 主要是檢測(cè)速度和位 移，并將信息反饋于數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)

4、控 制以保證數(shù)控機(jī)床加工精度。數(shù)控加工的準(zhǔn)備過(guò)程較復(fù)雜，內(nèi)容多， 含對(duì)零件的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、工藝分析、工藝方案 的制訂、加工程序編制、選用工裝及使用方 法等。機(jī)床的調(diào)整主要包括刀具命名、調(diào)入 刀庫(kù)、工件安裝、對(duì)刀、測(cè)量刀位、機(jī)床各 部位狀態(tài)等多項(xiàng)工作內(nèi)容。程序調(diào)試主要是 對(duì)程序本身的邏輯問(wèn)題及其設(shè)計(jì)合理性進(jìn) 行檢查和調(diào)整。試切加工則是對(duì)零件加工設(shè) 計(jì)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)下的考察，而整個(gè)過(guò)程均需 在前一步實(shí)現(xiàn)后的結(jié)果評(píng)價(jià)后再作后一步 工作。試切成功后方可對(duì)零件進(jìn)行正式加 工，并對(duì)加工后的零件進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)。前三 步工作均為待機(jī)時(shí)間，為提高工作效率，希 望待機(jī)時(shí)間越短越好，越有利于機(jī)床合理使 用。該項(xiàng)指標(biāo)直接影響

5、對(duì)機(jī)床利用率的評(píng)價(jià) （即機(jī)床實(shí)動(dòng)率）。機(jī)床是由機(jī)械和電氣兩部分組成， 在設(shè) 計(jì)總體方案時(shí)應(yīng)從機(jī)電兩方面來(lái)考慮機(jī)床 各種功能的實(shí)施方案，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械要求 和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜，所以更應(yīng)機(jī)電 溝通，揚(yáng)長(zhǎng)避短。機(jī)床控制系統(tǒng)選件、裝配、 程序編制及操作都應(yīng)該比較合理，精度和穩(wěn) 定性都必須滿足使用要求。 同時(shí)為便于調(diào)試 和檢修，各項(xiàng)操作均設(shè)手動(dòng)功能，如手動(dòng)各 軸快慢移動(dòng)、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、切削液及潤(rùn) 滑開(kāi)關(guān)等。PLC按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作 或按照時(shí)序動(dòng)作，另外還有與順序、時(shí)序無(wú) 關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作的控 制，PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進(jìn)行順 序控制的主要產(chǎn)品，在機(jī)床的電氣控制中應(yīng)

6、用也比較普遍。在實(shí)際控制中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)需要認(rèn)真考 慮并切實(shí)加以解決的問(wèn)題。 精度是機(jī)床必須 保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的 位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的 加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的 指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面 是正確選擇系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái) 的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常 起著決定性的作用。高精度的控制系統(tǒng)必須 有高精度的檢測(cè)元件作為保證。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件 發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)必須能作

7、相應(yīng)的修改，為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，要求對(duì) 控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行。盡管使用編程器可以方便快速地改變?cè)O(shè)定參 數(shù)，但編程器一般不能交現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用 ； 所以，應(yīng)考慮開(kāi)發(fā)其他簡(jiǎn)便有效的方法實(shí)現(xiàn) ELd的可變控制參數(shù)的在線修改。另外為了 防止電壓過(guò)高損壞ELC ,電源輸入端加上壓 敏電阻。為了防止過(guò)熱，PLC不許安裝在 變 壁等發(fā)熱元件的正上方， 變頻器與PLC、 伺服驅(qū)動(dòng)器等保持一定距離。在兀件間留有適當(dāng)?shù)目障叮员闵?，并且在配電箱上?裝風(fēng)扇降溫。此外，為保證控制系統(tǒng)的安全 與穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安全保護(hù) 問(wèn)題，如系統(tǒng)的行程保護(hù)、故障元件的自動(dòng) 檢測(cè)等。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、

8、高效率的自動(dòng) 化設(shè)備，提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo) 之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí) 向內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái) 說(shuō)，這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功 能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。 數(shù)控機(jī)床的功能部件對(duì)機(jī)床的功能擴(kuò)展和 性能的提升起著極為重要的作用，因此，它 不同于一般配套件和附件的選用，不僅須與數(shù)控機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)調(diào)，融入整機(jī)系 統(tǒng)具有最佳的匹配性能，而且還能很好地彰 顯出該數(shù)控機(jī)床的個(gè)性化特征。用于高速化的數(shù)控系統(tǒng)不能僅是提高數(shù)據(jù)處理能力，而是應(yīng)具備熱誤差補(bǔ)償單元以及能實(shí)現(xiàn)速度 前瞻控制、位置環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn)

9、控 制等先進(jìn)控制技術(shù)的功能。所以必須選擇穩(wěn) 定可靠的控制單元才能保證數(shù)控機(jī)床正常 高效運(yùn)行?？删幊踢壿嬁刂破魇菣C(jī)床各項(xiàng)功能的 邏輯控制中心，集成于數(shù)控系統(tǒng)中，主要是 指控制軟件的集成化，而 PLC硬件則在規(guī) 模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制中心采用PLC，并配以人機(jī)界面進(jìn)行程序參數(shù)修改、設(shè)定，以及運(yùn)行狀態(tài)顯示監(jiān)控， 可編程設(shè)置人機(jī)界面的內(nèi)容。三軸均為全數(shù) 字交流伺服系統(tǒng)，各軸伺服疊!通過(guò)連軸器 帶動(dòng)滾珠絲杠，以移動(dòng)配有直線導(dǎo)軌的工作 臺(tái)和主軸銳頭，其定位準(zhǔn)確，速度快。主軸 銖頭由變頻器控制,根據(jù)刀具及工件和進(jìn)給 量，來(lái)設(shè)置主軸合理的轉(zhuǎn)速，并在程序中設(shè) 定它的啟動(dòng)停止。各軸均設(shè)二端極限

10、傳感器 和原點(diǎn)傳感器，冷卻和潤(rùn)滑也都有異常檢 測(cè)，在報(bào)警燈和人機(jī)界面處顯示報(bào)警信息由 光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí) 際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較， 將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于 零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開(kāi)環(huán)進(jìn)給 系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)。 設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)難。 但是可以獲得 比開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度， 驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)。早期使用一般蟲(chóng) 機(jī)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(yīng)對(duì)所需場(chǎng)合；當(dāng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時(shí)，當(dāng)產(chǎn)品

11、質(zhì) 量、精度要求越來(lái)越高時(shí)，電機(jī)停止位置的 控制就不是一般 電機(jī)所能達(dá)到的了。解決這 一問(wèn)題的最佳方法是采用 NC定位控制配合 步進(jìn)或伺服電機(jī)作定位控制。PLC結(jié)合伺服 驅(qū)動(dòng)器所構(gòu)成的NC閉環(huán)回路控制系統(tǒng)中， PLC負(fù)責(zé)發(fā)送高諫脈沖命令給伺服驅(qū)動(dòng)器. 除了裝在伺服電機(jī)的位移檢測(cè)信號(hào)直位反 饋到伺服驅(qū)動(dòng)器外，外加位移檢測(cè)器裝在傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)之后，真正反映實(shí)際位移量，并將此 信號(hào)反饋到PLC內(nèi)部的高速硬件計(jì)數(shù)器， 這樣就可作更精確的控制，并且可避免上述 半閉環(huán)回路的缺點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置系統(tǒng)要求的伺服性能 包括:定位速度和輪廓切削進(jìn)給速度；定位精 度和輪廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在 外界干擾下的穩(wěn)

12、定性。這些要求主要取決于 伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)，總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度，即當(dāng)系 統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí)，機(jī)床移動(dòng)部件 會(huì)迅速反應(yīng)。在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系 統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)，要求 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常 在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。 伺服系統(tǒng)最高速度 的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí) 際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但 對(duì)驅(qū)動(dòng)要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角 度看也有一個(gè)檢測(cè)與反饋的問(wèn)題，尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時(shí) 間是否足夠。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測(cè) 元件置于被測(cè)坐標(biāo)軸的終端移動(dòng)部件

13、上，以檢測(cè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中螺距誤差、 間隙及各種干 擾所造成的傳動(dòng)誤差，并進(jìn)行反饋補(bǔ)償控 制，從而提高機(jī)床的位置控制精度。在全閉 環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對(duì)位置檢測(cè)元件和反饋 元件的選擇很關(guān)鍵。感應(yīng)同步器具有精度 高、重復(fù)性好、抗干擾能力強(qiáng)，耐油耐污及 維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高精度全閉環(huán) 數(shù)控機(jī)床的工作場(chǎng)合。數(shù)控機(jī)床要求具備穩(wěn) 定性、快速性和準(zhǔn)確性，而大型數(shù)控機(jī)床的 機(jī)械傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)給系統(tǒng)軸幾乎所有不穩(wěn)定的 非線性因素，調(diào)整不當(dāng)很容易使機(jī)床產(chǎn)生抖 動(dòng)現(xiàn)象。因此數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證 快速性的基礎(chǔ)上主要是解決機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 的穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高的位 置精度。伺服電機(jī)的編碼器將位移檢測(cè)信號(hào) 反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)的脈 沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號(hào)的頻率和脈沖 數(shù)，經(jīng)內(nèi)部的偏差計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)高諫、精密的速度與 位置閉環(huán)回路處理系統(tǒng)。 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速與 輸入信號(hào)的脈沖頻率成正比，而電機(jī)的移動(dòng)量則由脈沖數(shù)決定。PLC通過(guò)編程器輸入程序,達(dá)到控制 目的。由于PL工作過(guò)程是循環(huán)，所以程 序執(zhí)行速度很快。另外軟件故障檢測(cè)設(shè)計(jì)在 采用硬