楊貞靜

摘要： 如今，可編程控制器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。作者主要介紹了可編程控制器的工作原理、控制系統(tǒng)方案可編程序控制器選型，并以本院的CK160數(shù)控車床為例說明其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 可編程控制器數(shù)控機(jī)床應(yīng)用

如今，可編程控制器（PLC）廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等工業(yè)控制中。數(shù)控機(jī)床的控制部分可分為數(shù)字控制和順序控制兩部分，數(shù)字控制部分包括對各坐標(biāo)軸位置的連續(xù)控制，而順序控制包括對主軸正/反轉(zhuǎn)和啟動/停止、換刀、卡盤夾緊和松開、冷卻、尾架、排屑等輔助動作的控制。數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動控制與自動檢測等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就而發(fā)展起來的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在機(jī)械加工時，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)床移動部件能實(shí)現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，即準(zhǔn)確控制移動部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運(yùn)動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。

實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，但價格很昂貴，而且許多功能對點(diǎn)位控制來說是多余的；二是采用單板機(jī)或單片機(jī)控制，這種方法除了要進(jìn)行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路、驅(qū)動電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用PLC代替繼電器控制來完成邏輯控制，使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富，響應(yīng)速度和可靠性大大提高。

現(xiàn)以CK160為例，說明PLC在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用。

一、車床的PLC數(shù)控系統(tǒng)控制原理設(shè)計(jì)車床的操作要求

1.車床一般加工回轉(zhuǎn)表面、螺紋等。要求其動作一般是X、Z向快進(jìn)、工進(jìn)、快退。加工過程中能進(jìn)行自動、手動、車外圓與車螺紋等轉(zhuǎn)換，并且能進(jìn)行中步操作。

2.PLC數(shù)控系統(tǒng)需解決的問題。車床的操作過程比較復(fù)雜，而PLC一般只適用于動作的順序控制。要將PLC用于控制車床動作，必須解決三個問題：

（1）如何產(chǎn)生驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)的信號及X、Z向動作的協(xié)調(diào)；

（2）如何改變進(jìn)給系統(tǒng)速度；

（3）車螺紋如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)系傳動及螺紋導(dǎo)程的變化。

將PLC及其控制模塊和相應(yīng)的執(zhí)行元件組合，這些問題是可以解決的。

二、數(shù)控系統(tǒng)的控制原理

普通車床數(shù)控化改造工作就是將刀架、X、Z向進(jìn)給改為數(shù)控控制。根據(jù)改造特點(diǎn)，伺服元件采用步進(jìn)電機(jī)，實(shí)行開環(huán)控制系統(tǒng)就能滿足要求。Z向脈沖當(dāng)量取0.01mm，X向脈沖當(dāng)量取0.005mm。選用晶體管輸出型的PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)脈沖信號由編程產(chǎn)生，通過程序產(chǎn)生不同頻率脈沖實(shí)現(xiàn)變速。X、Z向動作可通過輸入手動操作或程序自動控制。車螺紋的脈沖信號由主軸脈沖發(fā)生器產(chǎn)生，通過與門電路接入PLC輸入端，經(jīng)PLC程序變頻得到所需導(dǎo)程的脈沖。刀架轉(zhuǎn)位、車刀進(jìn)、退可由手動或自動程序控制。

三、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.將定位過程劃分為脈沖當(dāng)量不同的兩個階段

要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個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。例如步進(jìn)電機(jī)控制脈沖頻率為20Hz，脈沖當(dāng)量為0.1mm/步，定位距離為120mm，則走完全程所需時間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當(dāng)使用較大的脈沖當(dāng)量使刀具或工作臺快速移動至接近定位點(diǎn)時（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1/50左右），因此并不會影響到定位速度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在機(jī)械方面，應(yīng)采用兩套變速機(jī)構(gòu)。在粗定位階段，由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動刀具或工作臺傳動，在精定位階段，則采用降速傳動。這兩套變速機(jī)構(gòu)使用哪一套，由電磁離合器控制。

2.應(yīng)用功能指令實(shí)現(xiàn)BCD碼撥盤數(shù)據(jù)輸入

目前較為先進(jìn)的PLC不僅具有滿足順序控制要求的基本邏輯指令，而且提供了豐富的功能指令。如果說基本邏輯指令是對繼電器控制原理的一種抽象提高的話，那么功能指令就像是對匯編語言的一種抽象提高。BCD碼數(shù)據(jù)撥盤是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用到的十進(jìn)制撥盤數(shù)據(jù)輸入裝置。撥盤共有0—9十個位置，每一位置都有相應(yīng)的數(shù)字指示。一個撥盤可代表一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，若需輸入多位數(shù)據(jù)，則可以用多片BCD碼撥盤并聯(lián)使用。

我選用BCD碼撥盤裝置應(yīng)用于PLC控制的系統(tǒng)，這樣無需再設(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），若配合簡單的硬件譯碼電路，就可顯示有關(guān)參數(shù)的動態(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)行中撥動撥盤可能給系統(tǒng)造成的波動，最好設(shè)置一輸入鍵，當(dāng)確認(rèn)各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時數(shù)據(jù)才被PLC讀入并處理。

四、可編程序控制器選型

根據(jù)D-U3710組合機(jī)床動作循環(huán)圖、技術(shù)特性，確定采用東芝EX系列可編程控制器。東芝EX系列可編程控制器與其他類型的可編程控制器相比，體積小，耗電量小，裝置時間短，耐大電流沖擊，可靠性極高，尤其是采用與眾不同的圖形液晶讀/寫程序編寫器，可以在其顯示器上監(jiān)視程序的編排、修改，一目了然，非常直觀。通過系統(tǒng)分析，D-3701組合機(jī)床的輸入點(diǎn)為24個、輸出點(diǎn)為19個，所以選用東芝EX系列可編程控制器的基本單元EX-40H+擴(kuò)展單元EX20來完成。EX-40H+EX20的輸入點(diǎn)為36個、輸出點(diǎn)24個，大于系統(tǒng)所確定的I/O數(shù)，為此使用EX-40H+EX20是可行的。

五、結(jié)語

本文提出的應(yīng)用PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制功能的方法能滿足控制要求，控制系統(tǒng)方案、可編程序控制器選型及在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。所研制的控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰，硬件電路簡單實(shí)用，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，性能價格比良好等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于企業(yè)的相關(guān)機(jī)床改造。