數(shù)控鉆銑床控制系統(tǒng)分析

摘 要:文中介紹了一種基于PLC(可編程控制器)的數(shù)控鉆銑床控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用PLC豐富的脈沖控制指令實現(xiàn)對數(shù)控鉆銑床各軸的步進(jìn)電機的速度和位置控制，數(shù)控加工指令由PC機經(jīng)串口通信傳送給PLC，控制PLC的脈沖控制指令參數(shù)，實現(xiàn)加工控制。PLC應(yīng)用在數(shù)控銑床后，使電氣控制系統(tǒng)的硬件電路得到了簡化， 便于安裝調(diào)試和維護(hù)，提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞:數(shù)控鉆銑床 步進(jìn)電機 PLC

中圖分類號:TG54文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0059-01

1 引言

數(shù)控機床是電子信息技術(shù)與傳統(tǒng)機床技術(shù)相融合的機電一體化產(chǎn)品，具有高效、精密、柔性自動化和信息集成諸特點，特別適于加工復(fù)雜形狀的零件，因而成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)最重要的基礎(chǔ)裝備和世界機床市場的主流產(chǎn)品，特別是數(shù)控鉆銑床更是受到機械制造企業(yè)的青睞。

PLC以微處理器為基礎(chǔ)，是一種將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合在一起的新型工業(yè)自動控制設(shè)備，面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，具有操作方便、可靠性高的特點，在包括數(shù)控機床在內(nèi)的工業(yè)自動控制中得到廣泛應(yīng)用，成為新一代通用工業(yè)控制裝置。在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中可編程控制器是應(yīng)用最廣泛的控制裝置，已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。置于系統(tǒng)和機床之間，控制主軸、刀庫等外部執(zhí)行機構(gòu)的動作，當(dāng)前數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)采用已成為發(fā)展趨勢。

2 數(shù)控銑床的基本結(jié)構(gòu)和控制要求

本文所要介紹的這種數(shù)控銑床主要包括工控機、CNC控制器、三個全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器、變頻器、可編程控制器PLC等幾個主要組成部分，其中CNC控制器主要完成位置顯示、程序編制與運行、參數(shù)設(shè)置、診斷、報警和調(diào)試等功能;交流伺服驅(qū)動器完成插補運算和運動控制即G功能， 控制X、Y、Z三軸的運行;變頻器完成主軸調(diào)速即S功能，控制主軸的轉(zhuǎn)速和方向;工控機主要用于狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置、程序設(shè)置和與遠(yuǎn)程局域網(wǎng)進(jìn)行通信等;而PLC則主要完成電氣控制系統(tǒng)和故障診斷方面的一些功能。

從控制要求上來看，數(shù)控銑床的控制可以分為主控部分和輔助控制兩部分，主控部分主要是進(jìn)行主軸方向和轉(zhuǎn)速控制以及各個進(jìn)給軸的控制，這需要采用PLC取代繼電器進(jìn)行的強電控制，其輸出端口通過控制接觸器來控制變頻器和伺服驅(qū)動器從而達(dá)到主控的目的。輔助控制通過把PLC的輸入輸出端口與數(shù)控系統(tǒng)的其他部分相連完成故障顯示和報警以及實現(xiàn)M、T等功能，即CNC控制器發(fā)出的M、T等功能通過PLC程序解釋來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，還需要實現(xiàn)故障檢測功能，包括外部故障檢測和PLC自診斷。

3 PLC對步進(jìn)電機的控制

由于受脈沖的控制，電機轉(zhuǎn)子的角位移和速度嚴(yán)格地與輸入脈的數(shù)量和脈沖頻率成正比，通過控制脈沖數(shù)量來控制角位移量，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位;通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，實現(xiàn)調(diào)速的功能;通過改變通電順序，實現(xiàn)改變電機的旋轉(zhuǎn)方向。在數(shù)控鉆銑床的控制系統(tǒng)中，用PLC實現(xiàn)對步進(jìn)電機的位移、轉(zhuǎn)速和方向的控制，具體要求如下:

1)行程控制數(shù)控銑床各軸的行程正比于步進(jìn)電機的總轉(zhuǎn)角，只要控制步進(jìn)電機的總轉(zhuǎn)角就可實現(xiàn)對工作臺行程的控制。因此可以根據(jù)各軸的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)。

2)進(jìn)給速度控制工作臺的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。因此可以根據(jù)數(shù)控加工中該工序所要求的進(jìn)給速度，確定其PLC輸出的脈沖頻率。

3)進(jìn)給方向控制進(jìn)給方向控制即對步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向控制，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進(jìn)電機各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向。而在實際應(yīng)用中，步進(jìn)電機驅(qū)動器可接收來自PLC的轉(zhuǎn)向選擇信號，此輸入信號可以視為開關(guān)量信號，能夠很方便地通過PLC編程實現(xiàn)對步進(jìn)電機轉(zhuǎn)向的控制。

4 PLC的脈沖輸出指令

步進(jìn)電機的速度、位置控制都是通過輸入脈沖信號的改變來實現(xiàn)的，因此，對于步進(jìn)電機的控制關(guān)鍵在于對輸入脈沖的控制。PLC豐富的脈沖控制指令可以方便地實現(xiàn)數(shù)控機床的步進(jìn)電機的控制。脈沖控制指令主要有脈沖輸出指令和脈沖速度指令。

PLC的脈沖輸出包括獨立模式和連續(xù)模式。使用獨立模式脈沖輸出時，在脈沖輸出前，應(yīng)使用脈沖輸出指令設(shè)置要輸出的脈沖個數(shù)，利用脈沖速度指令設(shè)置脈沖輸出的位地址、輸出模式和脈沖頻率，然后開始脈沖輸出。還可利用脈沖速度指令改變頻率設(shè)置，在脈沖輸出時改變輸出脈沖的頻率。在輸出完脈沖輸出指令所設(shè)定的脈沖個數(shù)后，脈沖輸出自動停止。

使用連續(xù)輸出模式時，通過脈沖速度指令設(shè)定脈沖的位地址、輸出模式和脈沖頻率，并且在輸出過程中可以隨時使用本條指令改變脈沖輸出頻率，該頻率由F的值設(shè)定，F(xiàn)取值范圍為0001～1000，對應(yīng)的輸出頻率是10～10。對于連續(xù)模式下脈沖輸出，停止脈沖輸出的方法是使用脈沖速度指令將脈沖頻率設(shè)定為0。

5 PLC與PC機的通信

在數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)中，PC機是上位機，從PLC接收機床側(cè)的開關(guān)量信號，并向PLC發(fā)出加工控制指令;PLC是下位機，從PC機接收指令，實現(xiàn)PC機對控制系統(tǒng)的控制，同時負(fù)責(zé)現(xiàn)場高速數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)邏輯、定時、計數(shù)等功能，向PC機傳送PLC的工作狀態(tài)及有關(guān)數(shù)據(jù)。PLC與PC機的通信是通過RS232串行通信實現(xiàn)的。通信方式有兩種，一種是上位機始終具有初始傳送優(yōu)先權(quán)，所有的通信均由PC機來啟動，PLC 總是處于被動狀態(tài);另一種是PLC具有優(yōu)先權(quán)，通信請求由PLC發(fā)送至上位機。

通過PC與PLC的通信，可以由上位機編制好加工指令傳輸給PLC，PLC讀取指令改變對各個步進(jìn)電機的控制參數(shù)，實現(xiàn)加工過程

6 結(jié)語

本課題研制的數(shù)控鉆銑床已經(jīng)投入試運行， 實踐證明PLC應(yīng)用在數(shù)控銑床后， 使電氣控制系統(tǒng)的硬件電路得到了簡化， 便于安裝調(diào)試和維護(hù)，提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性。在實踐中取得了較好的效果，可以滿足批量生產(chǎn)的要求，并大大提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了故障率，從而保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。整個數(shù)控鉆銑床的自動化程度又進(jìn)一步得到了提高，適應(yīng)了現(xiàn)代工廠自動化的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]管麗娜，邵強.步進(jìn)電機的PLC直接控制［N］.大連民族學(xué)院學(xué)報.2004(1):41～43.

[2]殷華文，于兆，馬志剛.PLC對步進(jìn)電機的控制技術(shù)［J］.組合機床與自動化加工技術(shù).2003(8):65～67.