PLC在數控車床中的應用

楊貞靜

摘要： 如今，可編程控制器廣泛應用于數控機床等工業控制中。作者主要介紹了可編程控制器的工作原理、控制系統方案可編程序控制器選型，并以本院的CK160數控車床為例說明其應用。

關鍵詞： 可編程控制器數控機床應用

如今，可編程控制器（PLC）廣泛應用于數控機床等工業控制中。數控機床的控制部分可分為數字控制和順序控制兩部分，數字控制部分包括對各坐標軸位置的連續控制，而順序控制包括對主軸正/反轉和啟動/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。數控技術是綜合應用了電子技術、計算技術、自動控制與自動檢測等現代科學技術成就而發展起來的，目前在許多領域尤其是在機械加工行業中的應用日益廣泛。

數控系統按其控制方式劃分有點位控制系統、直線控制系統、連續控制系統。在機械加工時，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，機床移動部件能實現由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。

實現數控系統點位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數控裝置，這種裝置功能十分完善，但價格很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機控制，這種方法除了要進行軟件開發外，還要設計硬件電路、接口電路、驅動電路，特別是要考慮工業現場中的抗干擾問題。現代數控機床采用PLC代替繼電器控制來完成邏輯控制，使數控機床結構更緊湊，功能更豐富，響應速度和可靠性大大提高。

現以CK160為例，說明PLC在數控機床上的應用。

一、車床的PLC數控系統控制原理設計車床的操作要求

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

2.PLC數控系統需解決的問題。車床的操作過程比較復雜，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）如何產生驅動伺服機構的信號及X、Z向動作的協調；

（2）如何改變進給系統速度；

（3）車螺紋如何實現內聯系傳動及螺紋導程的變化。

將PLC及其控制模塊和相應的執行元件組合，這些問題是可以解決的。

二、數控系統的控制原理

普通車床數控化改造工作就是將刀架、X、Z向進給改為數控控制。根據改造特點，伺服元件采用步進電機，實行開環控制系統就能滿足要求。Z向脈沖當量取0.01mm，X向脈沖當量取0.005mm。選用晶體管輸出型的PLC驅動步進電機脈沖信號由編程產生，通過程序產生不同頻率脈沖實現變速。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生器產生，通過與門電路接入PLC輸入端，經PLC程序變頻得到所需導程的脈沖。刀架轉位、車刀進、退可由手動或自動程序控制。

三、控制系統的設計方案

1.將定位過程劃分為脈沖當量不同的兩個階段

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。例如步進電機控制脈沖頻率為20Hz，脈沖當量為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1/50左右），因此并不會影響到定位速度。

為了實現上述目的，在機械方面，應采用兩套變速機構。在粗定位階段，由步進電機直接驅動刀具或工作臺傳動，在精定位階段，則采用降速傳動。這兩套變速機構使用哪一套，由電磁離合器控制。

2.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碼數據撥盤是計算機控制系統中常用到的十進制撥盤數據輸入裝置。撥盤共有0—9十個位置，每一位置都有相應的數字指示。一個撥盤可代表一位十進制數據，若需輸入多位數據，則可以用多片BCD碼撥盤并聯使用。

我選用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。

四、可編程序控制器選型

根據D-U3710組合機床動作循環圖、技術特性，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視程序的編排、修改，一目了然，非常直觀。通過系統分析，D-3701組合機床的輸入點為24個、輸出點為19個，所以選用東芝EX系列可編程控制器的基本單元EX-40H+擴展單元EX20來完成。EX-40H+EX20的輸入點為36個、輸出點24個，大于系統所確定的I/O數，為此使用EX-40H+EX20是可行的。

五、結語

本文提出的應用PLC控制步進電機實現數控系統控制功能的方法能滿足控制要求，控制系統方案、可編程序控制器選型及在實際運行中是切實可行的。所研制的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，性能價格比良好等顯著優點，其軟硬件的設計思路可應用于企業的相關機床改造。