PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中應(yīng)用

1、題目PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用班級學生姓名實習單位指導(dǎo)老師 日期PLC 在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要： 近年來， PLC 在工業(yè)自動控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈 廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出 的綜合優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著 PLC 技術(shù)的 發(fā)展 , 它在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也 越來越多。在機床的實際設(shè)計和生產(chǎn)過程中，為了提高數(shù) 控機床加工的精度，對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，且程序的設(shè)計和調(diào)試相當方便。本文提出的是如何應(yīng)用永宏 PLC 的 NC 定位控制實現(xiàn) 機床數(shù)控系統(tǒng)控制功能

2、的方法來滿足控制要求，在實際運 行中是切實可行的。整機控制系統(tǒng)具有程序設(shè)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顯著優(yōu)點，其軟硬件的設(shè)計思路可供 工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控機床設(shè)計改造借鑒。關(guān)鍵詞：PLC ;數(shù)控機床控制系統(tǒng)；應(yīng)用；維護、八 、前言可編程序控制器 <PLC ）主要以計算機的微處理器為基礎(chǔ)， 綜合計算機的應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動控制技術(shù)而發(fā) 展起來的一種通用控制器。雖然 PLC 由較為復(fù)雜的微處理 器組成，但是在實際應(yīng)用過程中，完全不必了解微處理器 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。最初， PLC 還僅是作為繼電器接觸器控制系 統(tǒng)的替代品，而自從進入數(shù)控機床控制

3、系統(tǒng)領(lǐng)域后，凸顯 了其獨有的優(yōu)越性，以其自身強大的抗干擾能力、自診斷 功能等，提高了數(shù)控機床控制系統(tǒng)的可靠性，基本解決了 普通繼電器及接觸器中常見的故障問題，經(jīng)過調(diào)試后可長 期安全可靠地運行。本文將對 PLC 的特點、基本工作過程、機床數(shù)控特點 原理、在數(shù)控機床控制中的應(yīng)用等問題進行分析與闡述。第 1 章 可編程序控制器 <PLC ）的特點1.1 體積小重量輕超小型的 PLC底部尺寸v 100mm，重量v 150g,其功 耗僅為數(shù)瓦。因為其體積小，很容易裝入機械中，便于機 電一體化的實現(xiàn)。1.2 實 用 性 普 遍PLC 可適用于各種規(guī)模的電氣控制場合，除了基本的邏 輯處理功能之外，當前

4、大多 PLC 具有數(shù)據(jù)運算能力，并可 應(yīng)用于數(shù)字控制領(lǐng)域中。近年來， PLC 的功能日益完善， PLC 的應(yīng)用已經(jīng)普遍到溫度控制、位置控制及 CNC 等多個 控制領(lǐng)域。1.3 抗 干 擾 能 力 強 因為 PLC 采用了現(xiàn)代化的大規(guī)模集成電路技術(shù)，在內(nèi)部 電路、生產(chǎn)工藝等方面均采取先進的抗干擾處理技術(shù)，具 有較高的可靠性。另外， PLC 還自備硬件故障自動檢測功 能，一旦出現(xiàn)故障即可發(fā)出警報。在軟件應(yīng)用中，應(yīng)用者 還可編入外圍器件的自診斷故障程序，讓系統(tǒng)中出了 PLC 之外的電路與設(shè)備也能獲得自我保護功能。1.4 應(yīng) 用 簡 單 、 普 遍 PLC 作為直接面向企業(yè)的工控設(shè)備，具有接口容易、編

5、程 語言易于被項目技術(shù)人員接受并理解等特點，尤其圖形符 號及梯形圖語言、表達方式等與繼電器電路圖基本類似， 只需通過 PLC 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就能熟練實現(xiàn)在 電氣控制中的應(yīng)用。1.5 維 護 與 改 造 方 便PLC 通過存儲邏輯替代了接線邏輯，減少了控制設(shè)備外 在的接線，極大減少了控制系統(tǒng)設(shè)計和建造的時間，為后 期維護提供了方便，同時程序較易改變，可極快應(yīng)用于生 產(chǎn)過程的改變。第 二 章 可 編 程 序控 制 <PLC ) 的 基 本工 作 過程PLC 及相關(guān)外圍設(shè)備的設(shè)計原則應(yīng)滿足 “與工業(yè)控制系統(tǒng)為 一個整體、方便功能擴展 ”，所有的電氣控制系統(tǒng)的實現(xiàn)都 是根據(jù)工藝要求，最

6、終提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。因此， 在設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)時，應(yīng)滿足被控對象的基本要求，并 對實際工作現(xiàn)場進行研究、收集資料，并實現(xiàn)設(shè)計人員與 操作人員的密切配合，共同擬定可操作方案，對可能潛在 的問題進行共同分析、共同解決。并在滿足各方控制要求 的前提下，考慮控制系統(tǒng)的簡單性與經(jīng)濟性，方便后期的 使用及維修，并確保電氣控制的安全性、穩(wěn)定性。 PLC 在 電氣控制中的基本工作過程為：<1）現(xiàn)場信息的輸入：在系統(tǒng)軟件的控制下，按照順 序?qū)斎朦c進行掃描，并讀取輸入點的狀態(tài)。<2）程序的執(zhí)行：對用戶程序中的指令按順序掃描， 并根據(jù)輸入的狀態(tài)及指令進行邏輯性運算。<3）控制信號的輸

7、出：根據(jù)以上邏輯運算的結(jié)果，輸 出狀態(tài)寄存器向各個輸出點同時發(fā)出相應(yīng)的信號，以實現(xiàn) 所需的邏輯控制功能。以上過程完成后，再重新開始，并反復(fù)執(zhí)行，每執(zhí)行 一次即完成一個掃描周期。 在實際應(yīng)用時，很多機械設(shè)備 的工作流程可分為一系列不斷重復(fù)的順序動作，而 PLC 的 工作程序恰與其相似，因此 PLC 程序能很好地與機器動作 相對應(yīng)，且程序的編制簡單、直觀，易于修改，減少了開發(fā)軟件的費用，并縮短軟件開發(fā)周期。第三章數(shù)控機床3.1數(shù)控機床組成結(jié)構(gòu)及工作過程本例數(shù)控機床由輸入、輸出裝置、數(shù)控裝置、可編程控制器、伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置和機床主機等組成，如圖1所PLC主皓撈魁單元一主袖塩庫控制單兄股服電L機

8、»示。I烷晉檢洲反卿置Fq打I圖i數(shù)控機床組成機構(gòu)圖輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計算機。在數(shù)控機床產(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、磁盤等，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，待工作一段時間后，再將輸出與原始資 料作比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。數(shù) 控裝置是數(shù)控機床的核心與主導(dǎo)，完成所有加工數(shù)據(jù)的處 理、計算工作，最終實現(xiàn)數(shù)控機床各功能的指揮工作。它 包含微計算機的電路，各種接口電路、CRT顯示器等硬件及相應(yīng)的軟件?？?/p>

9、編程控制器對主軸單元實現(xiàn)控制，將程 序中的轉(zhuǎn)速指令進行處理而控制主軸轉(zhuǎn)速。管理刀庫，進行自動刀具交換、選刀萬式、刀具累計使用次數(shù)、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數(shù)等管理?？刂浦鬏S正反轉(zhuǎn)和停止、 準停、切削液開關(guān)、卡盤夾緊松開、機械手取送刀等動作。還對機床外部開關(guān)（行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫控開關(guān)等>進行控制。對輸出信號（刀庫、機械手、回轉(zhuǎn)工作臺等 > 進行 控制。檢測反饋裝置由檢測元件和相應(yīng)的電路組成，主要 是檢測速度和位移，并將信息反饋于數(shù)控裝置，實現(xiàn)閉環(huán)控制以保證數(shù)控機床加工精度。數(shù)控機床的工作過程如圖2所示。圖2數(shù)控機床的工作過程框圖數(shù)控加工的準備過程較復(fù)雜，內(nèi)容多，含對零件的結(jié)構(gòu)認

10、識、工藝分析、工藝方案的制訂、加項目序編制、選用工 裝及使用方法等。機床的調(diào)整主要包括刀具命名、調(diào)入刀 庫、工件安裝、對刀、測量刀位、機床各部位狀態(tài)等多項 工作內(nèi)容。程序調(diào)試主要是對程序本身的邏輯問題及其設(shè) 計合理性進行檢查和調(diào)整。試切加工則是對零件加工設(shè)計 方案進行動態(tài)下的考察，而整個過程均需在前一步實現(xiàn)后 的結(jié)果評價后再作后一步工作。試切成功后方可對零件進 行正式加工，并對加工后的零件進行結(jié)果檢測。前三步工 作均為待機時間，為提高工作效率，希望待機時間越短越 好，越有利于機床合理使用。該項指標直接影響對機床利 用率的評價 （即機床實動率 。3.2 機床數(shù)控系統(tǒng)需要解決的幾個問題 機床是由機

11、械和電氣兩部分組成，在設(shè)計總體方案時 應(yīng)從機電兩方面來考慮機床各種功能的實施方案，數(shù)控機 床的機械要求和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜，所以更應(yīng)機電 溝通，揚長避短。機床控制系統(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。同時為便于調(diào)試和檢修，各項操作均設(shè)手動功能，如 手動各軸快慢移動、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、切削液及潤滑開關(guān) 等。 PLC 按照邏輯條件進行順序動作或按照時序動作，另 外還有與順序、時序無關(guān)的按照邏輯關(guān)系進行聯(lián)鎖保護動 作的控制， PLC 發(fā)展成了取代繼電器線路和進行順序控制 的主要產(chǎn)品,在機床的電氣控制中應(yīng)用也比較普遍在實際控制中如何既能提高定位速度，同時又

12、能保證 定位精度是一項需要認真考慮并切實加以解決的問題。精 度是機床必須保證的一項性能指標。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)控機床的加工精度。因此 位置精度是一個極為重要的指標。為了保證有足夠的位置 精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另 一方面是對位置檢測元件提出精度的要求。因為在閉環(huán)控 制系統(tǒng)中，對于檢測元件本身的誤差和被檢測量的偏差是 很難區(qū)分出來的，反饋檢測元件的精度對系統(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 測元件作為保證。當現(xiàn)場條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)的某些控 制參數(shù)必須能作相應(yīng)的修改，為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，要求 對控制系統(tǒng)可變參數(shù)的

13、修改應(yīng)在線進行。盡管使用編程器 可以方便快速地改變原設(shè)定參數(shù)，但編程器一般不能交現(xiàn) 場操作人員使用。所以，應(yīng)考慮開發(fā)其他簡便有效的方法 實現(xiàn) PLC 的可變控制參數(shù)的在線修改。另外為了防止電壓 過高損壞 PLC，電源輸入端加上壓敏電阻。為了防止過熱 PLC 不許安裝在變壓器等發(fā)熱元件的正上方，變頻器與 PLC、伺服驅(qū)動器等保持一定距離。在元件間留有適當?shù)目?隙，以便散熱，并且在配電箱上安裝風扇降溫。此外，為 保證控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運行，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安 全保護問題，如系統(tǒng)的行程保護、故障元件的自動檢測 等。第四章在數(shù)控機床控制中的應(yīng)用4.1永宏FBs系列PLC的NC機床定位伺服控制系統(tǒng)分

14、析數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，提高數(shù)控 機床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u價可靠性的主 要定量指標之一，其定義為 : 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間 內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，這里的功能 主要指數(shù)控機床的使用功能，例如數(shù)控機床的各種機能， 伺服性能等。數(shù)控機床的功能部件對機床的功能擴展和性 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)控機床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié) 調(diào)，融入整機系統(tǒng)具有最佳的匹配性能，而且還能很好地 彰顯出該數(shù)控機床的個性化特征。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)具備熱誤差補償單元 以及能實現(xiàn)速度前瞻控制

15、、位置環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn) 控制等先進控制技術(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)控機床正常高效運行。鑒于以上各項要求，筆者采用臺灣永宏電機股份有限公司 的 FBs-44MN PLC 作為該機床控制主單元，該型機具有較 高的性價比，體積小，使用起來非常方便，接線簡捷。其 編程軟件 WinProladder 有梯形圖大師之稱，易學易用且功 能強大，編輯、監(jiān)視、除錯等操作非常順手，按鍵、鼠標 并用及在線即時指令功能查詢與操作指引，使編輯、輸入 效率倍增。同時配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設(shè)定以 及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機界面的內(nèi)容。該控 制系統(tǒng)具有可靠性高，價格便宜，結(jié)構(gòu)緊

16、湊等特點，非常 適合機床的控制要求，具體控制思路如圖3 所示。永監(jiān)卩岀-pit”一其他談理制人機界站圖3采用永宏P(guān)LC FBS-44MN的NC機床定位電氣控制系統(tǒng)圖可編程邏輯控制器是該機床各項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)。由圖3可以看出，系統(tǒng)控制中心采用永宏P(guān)LC FBS-44MN控制，并配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設(shè)定，以及運行狀態(tài)顯示 監(jiān)控，可編程設(shè)置人機界面的內(nèi)容。三軸均為全數(shù)字交流 伺服系統(tǒng)，各軸伺服電機通過連軸器帶動滾珠絲杠，以移 動配有直線導(dǎo)軌的工作臺和主軸銃頭，其定位準確，速度 快。主軸銃頭由

17、變頻器控制，根據(jù)刀具及工件和進給量， 來設(shè)置主軸合理的轉(zhuǎn)速，并在程序中設(shè)定它的啟動停止。各軸均設(shè)二端極限傳感器和原點傳感器，冷卻和潤滑也都 有異常檢測，在報警燈和人機界面處顯示報警信息由光 柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信 號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換， 驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動， 直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán) 進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán) 境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲 得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更 大的特性指標。早期使用一般電機作為定位控制，因為

18、速 度不快、或者精度要求不高，所以足夠應(yīng)對所需場合。當 機械運轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時，當產(chǎn)品質(zhì)量、精 度要求越來越高時，電機停止位置的控制就不是一般電機 所能達到的了。解決這一問題的最佳方法是采用 NC 定位控 制配合步進或伺服電機作定位控制。但在過去，因為它的 價格很高，而限制了它使用的普遍性，近年來因為技術(shù)的 發(fā)展及成本的降低，其價位已被用戶所接受，使用數(shù)量也 越來越多。為配合這一趨勢，永宏 PLC FBs 系列將目前市 面上專用的 NC 定位控制器功能整合在 PLC 內(nèi)部 SoC 芯片 內(nèi)，除了免掉 PLC 與專用 NC 定位控制器之間復(fù)雜的數(shù)據(jù) 交換與連結(jié)程序外，更大幅降低整體成

19、本，為用戶提供一 種價廉物美、簡單方便的 PLC 整合 NC 定位控制的方案。 永宏 PLC FBs-44MN 內(nèi)部的 SoC 芯片含有多軸高速脈沖輸 出以及高速硬件計數(shù)器，并且提供簡易使用和設(shè)計的定位 程序編輯，對于這方面的應(yīng)用，更是如虎添翼、如魚得 水、得心應(yīng)手了。 PLC 結(jié)合伺服驅(qū)動器所構(gòu)成的 NC 閉環(huán)回路控制系統(tǒng)中， PLC 負責發(fā)送高速脈沖命令給伺服驅(qū)動 器，除了裝在伺服電機的位移檢測信號直接反饋到伺服驅(qū) 動器外，外加位移檢測器裝在傳動機構(gòu)之后，真正反映實 際位移量，并將此信號反饋到 PLC 內(nèi)部的高速硬件計數(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。永宏

20、PLC FBs 系列的定位功能將市面上專用 NC 定位控制器整合在 PLC 內(nèi)，使 PLC 與 NC 控制器能共享相 同的數(shù)據(jù)區(qū)，而不需要作兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與同步 控制等復(fù)雜的工作，但仍可用一般常用的 NC 定位控制指令 （例如DRV、SPD等。PLC控制4軸的定位工作，并可 作多軸同動控制，除了提供點對點的定位速度控制，還提 供了各軸間直線插補功能。當系統(tǒng)應(yīng)用超過 4 軸時還可利用 永宏 PLC 的 CPU LINK 功能達到更多的定位運動控制。數(shù) 控機床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括:定位速度和輪廓切削進給速度。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)定性。這些要

21、求主要取決于伺服 系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有 較高的動態(tài)精度，即當系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機 床移動部件會迅速反應(yīng)。在數(shù)控機床的加工中，伺服系統(tǒng) 為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅(qū)動具有足 夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使 用。伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界 限和實際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動 要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與 反饋的問題，尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件 處理的時間是否足夠。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件 置于被測坐標軸的終端移動部件上，以檢測機械傳動

22、鏈中 螺距誤差、間隙及各種干擾所造成的傳動誤差，并進行反 饋補償控制，從而提高機床的位置控制精度。在全閉環(huán)伺 服控制系統(tǒng)中，對位置檢測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， 耐油耐污及維護簡單等優(yōu)點，特別適合于高精度全閉環(huán)數(shù) 控機床的工作場合。數(shù)控機床要求具備穩(wěn)定性、快速性和 準確性，而大型數(shù)控機床的機械傳動裝置轉(zhuǎn)動慣量較大， 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)包括了該進給系統(tǒng)軸幾乎所有不穩(wěn)定的非線性因素，調(diào) 整不當很容易使機床產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。因此數(shù)控機床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證快速性的基礎(chǔ)上主要 是解決機床進給運動的穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服

23、系統(tǒng)高 的位置精度。伺服電機的編碼器將位移檢測信號反饋到伺 服驅(qū)動器，驅(qū)動器將輸入信號的脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號的頻率和脈沖數(shù)，經(jīng)內(nèi)部的偏差計數(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 伺服電機實現(xiàn)高速、精密的速度與位置閉環(huán)回路處理系 統(tǒng)。伺服電機的轉(zhuǎn)速與輸入信號的脈沖頻率成正比，而電 機的移動量則由脈沖數(shù)決定。圖4是PLC控制下的伺服電機工作示意圖。h冷JU沖圖4數(shù)控機床伺服電機工作示意圖4.2相關(guān)程序設(shè)計與操作PLC通過編程器輸入程序，達到控制目的。因為PLC工作過程是循環(huán)，所以程序執(zhí)行速度很快。另外軟件故障檢測 設(shè)計在采用硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上采用軟件檢測外部行程開關(guān) 狀態(tài)，當行程開關(guān)失靈后，通過程序控制停止機床的運 行，有效地減少了機床因元件失靈造成的事故。圖5