可編程控制器在數控機床的應用

姜廣政

可編程控制器是工業環境下專門應用的一種工業控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小等特點，是實現機電一體化的理想控制裝置。通過實踐與深入研究，筆者提出了利用編程控制器控制步進電機實現數控系統點位控制功能的方法。

一、數控系統

數控機床的基本原理是，當加工程序被送入數控機床的數控裝置后，數控裝置對其進行譯碼、寄存和運算處理，然后以脈沖的形式向伺服系統發出控制信號。伺服系統接到控制控制信號后，驅動機床工作臺嚴格按照指令的要求進行移動，從而控制刀具與零件的相對運動。數控系統按其控制的運動軌跡劃分有點位控制系統、直線控制系統、輪廓控制系統。在進行機械加工時，數控系統的點位控制一般用在孔加工機床上(例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數控機床)，其特點是，機床移動部件能準確控制移動部件的終點位置，但不用考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。

二、電力線通信（PLC）在數控機床中的功能

1．機床操作面板控制

將機床操作面板上的控制信號直接送入PLC，以控制數控機床的運行。

2．開關控制信號控制

將開關控制信號送入PLC，經邏輯運算后，輸出給控制對象。

3．輸出信號控制

PLC輸出的信號經電氣柜中的繼電器、接觸器，通過機床側的液壓或氣動電磁閥，對刀庫、機械手和回轉工作臺等裝置進行控制，另外對冷卻泵電動機、潤滑泵電動機及電磁制動器等進行控制。

4．伺服控制

控制主軸和伺服進給驅動裝置的使能信號，以滿足伺服驅動的條件，通過驅動裝置，驅動主軸電動機、伺服進給電動機和刀庫電動機等。

三、控制系統研制中需要認識與解決的問題

1．處理好保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾

步進電機的轉速與其控制脈沖的頻率成正比，當步進電機在極低頻下運行時，轉速必然很低。同時為了保證系統的定位精度，脈沖當量即步進電機轉一個步距角時刀具或工作臺移動的距離又不能太大，這兩個因素合在一起帶來了一個突出問題：定位時間太長。因此，如何既能提高定位速度，同時又能保證定位精度是一項亟待解決的問題。

2. 防止步進電機運行時出現失步和誤差

步進電機是一種性能良好的數字化執行元件，在數控系統的點位控制中，可利用步進電機作為驅動電機。在開環控制中，步進電機由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產生脈沖來控制步進電機可以有效地簡化系統的硬件電路，進一步提高可靠性。但由于PLC是以循環掃描方式工作，掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，受此影響，步進電機不能在高頻下工作。

四、控制系統方案

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調整為兩個階段：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電機，但采用不同的脈沖當量。粗定位階段：由于在點位過程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位階段：當使用較大的脈沖當量使刀具或工作臺快速移動至接近定位點時（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量進入精定位階段，讓刀具或工作臺慢慢趨近于定位點，例如取脈沖當量為0.01mm/步。盡管脈沖當量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此不會影響定位速度。

應用功能指令實現BCD碼撥盤數據輸入 ，目前較為先進的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碼撥盤裝置應用于PLC控制的系統，這樣無需再設計數碼輸入顯示電路，有效地節省了PLC的輸入點，簡化了硬件電路，并利用先進的功能指令實現數據的存儲和傳輸，因此能極方便地實現數據的在線輸入或修改（如計數器設定值的修改等），若配合簡單的硬件譯碼電路，就可顯示有關參數的動態變化（如電機步數的遞減變化等）。為避免在系統運行中撥動撥盤可能給系統造成的波動，最好設置一輸入鍵，當確認各片撥盤都撥到位后再按該鍵，這時數據才被PLC讀入并處理。

應用PLC控制步進電機實現數控系統點位控制功能的方法能滿足控制要求，在實際運行中切實可做。該控制系統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，具有良好的性能價格比等優點。

(作者單位：山東省濟寧市技術學院)