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賁文來(lái)自2006年第12期“工業(yè)控制技術(shù)”上 ,已經(jīng)被閱讀過(guò)19次
作 者 ：湖北潤(rùn)發(fā)集團(tuán) 李凌松

關(guān)鍵詞： 可編程控制器 定位控制 機(jī)床 數(shù)控系統(tǒng)

1 引言
近年來(lái)，PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢(shì)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(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。在機(jī)床的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中,為了提高數(shù)控機(jī)床加工的精度，對(duì)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(zhǔn)，且程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試相當(dāng)方便。本文提出的是如何應(yīng)用永宏P(guān)LC的NC定位控制實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制功能的方法來(lái)滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。整機(jī)控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可供工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)改造借鑒。
2 數(shù)控機(jī)床組成結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程
本例數(shù)控機(jī)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(cè)反饋裝置和機(jī)床主機(jī)等組成，如圖1所示。 
 
圖1 數(shù)控機(jī)床組成機(jī)構(gòu)圖

輸入裝置可將不同加工信息傳遞于計(jì)算機(jī)。在數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)間后，再將輸出與原始資料作比較、對(duì)照，可幫助判斷機(jī)床工作是否維持正常。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心與主導(dǎo)，完成所有加工數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算工作，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床各功能的指揮工作。它包含微計(jì)算機(jī)的電路，各種接口電路、CRT顯示器等硬件及相應(yīng)的軟件。可編程控制器對(duì)主軸單元實(shí)現(xiàn)控制，將程序中的轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行處理而控制主軸轉(zhuǎn)速;管理刀庫(kù)，進(jìn)行自動(dòng)刀具交換、選刀方式、刀具累計(jì)使用次數(shù)、刀具剩余壽命及刀具刃磨次數(shù)等管理;控制主軸正反轉(zhuǎn)和停止、準(zhǔn)停、切削液開關(guān)、卡盤夾緊松開、機(jī)械手取送刀等動(dòng)作;還對(duì)機(jī)床外部開關(guān)(行程開關(guān)、壓力開關(guān)、溫控開關(guān)等)進(jìn)行控制;對(duì)輸出信號(hào)(刀庫(kù)、機(jī)械手、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等)進(jìn)行控制。檢測(cè)反饋裝置由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，主要是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋于數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制以保證數(shù)控機(jī)床加工精度。數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程框圖

數(shù)控加工的準(zhǔn)備過(guò)程較復(fù)雜，內(nèi)容多，含對(duì)零件的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)、工藝分析、工藝方案的制訂、加工程序編制、選用工裝及使用方法等。機(jī)床的調(diào)整主要包括刀具命名、調(diào)入刀庫(kù)、工件安裝、對(duì)刀、測(cè)量刀位、機(jī)床各部位狀態(tài)等多項(xiàng)工作內(nèi)容。程序調(diào)試主要是對(duì)程序本身的邏輯問(wèn)題及其設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行檢查和調(diào)整。試切加工則是對(duì)零件加工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)下的考察，而整個(gè)過(guò)程均需在前一步實(shí)現(xiàn)后的結(jié)果評(píng)價(jià)后再作后一步工作。試切成功后方可對(duì)零件進(jìn)行正式加工，并對(duì)加工后的零件進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)。前三步工作均為待機(jī)時(shí)間，為提高工作效率，希望待機(jī)時(shí)間越短越好，越有利于機(jī)床合理使用。該項(xiàng)指標(biāo)直接影響對(duì)機(jī)床利用率的評(píng)價(jià)(即機(jī)床實(shí)動(dòng)率)。
3 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要解決的幾個(gè)問(wèn)題
機(jī)床是由機(jī)械和電氣兩部分組成，在設(shè)計(jì)總體方案時(shí)應(yīng)從機(jī)電兩方面來(lái)考慮機(jī)床各種功能的實(shí)施方案，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械要求和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜，所以更應(yīng)機(jī)電溝通，揚(yáng)長(zhǎng)避短。機(jī)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(shí)為便于調(diào)試和檢修，各項(xiàng)操作均設(shè)手動(dòng)功能，如手動(dòng)各軸快慢移動(dòng)、主軸高低速旋轉(zhuǎn)、切削液及潤(rùn)滑開關(guān)等。PLC按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作或按照時(shí)序動(dòng)作，另外還有與順序、時(shí)序無(wú)關(guān)的按照邏輯關(guān)系進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進(jìn)行順序控制的主要產(chǎn)品,在機(jī)床的電氣控制中應(yīng)用也比較普遍。
在實(shí)際控制中如何既能提高定位速度，同時(shí)又能保證定位精度是一項(xiàng)需要認(rèn)真考慮并切實(shí)加以解決的問(wèn)題。精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。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(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。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(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái)的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)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(cè)元件作為保證。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)，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(duì)控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行。盡管使用編程器可以方便快速地改變?cè)�設(shè)定參數(shù)，但編程器一般不能交現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用;所以，應(yīng)考慮開發(fā)其他簡(jiǎn)便有效的方法實(shí)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(guò)高損壞PLC，電源輸入端加上壓敏電阻。為了防止過(guò)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(dòng)器等保持一定距離。在元件間留有適當(dāng)?shù)目障�，以便散熱，并且在配電箱上安裝風(fēng)扇降溫。此外，為保證控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安全保護(hù)問(wèn)題，如系統(tǒng)的行程保護(hù)、故障元件的自動(dòng)檢測(cè)等。
4 永宏FBs系列PLC的NC機(jī)床定位伺服控制系統(tǒng)分析
數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要�？煽慷仁窃u(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。數(shù)控機(jī)床的功能部件對(duì)機(jī)床的功能擴(kuò)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(jī)床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)調(diào)，融入整機(jī)系統(tǒng)具有****的匹配性能，而且還能很好地彰顯出該數(shù)控機(jī)床的個(gè)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(bǔ)償單元以及能實(shí)現(xiàn)速度前瞻控制、位置環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn)控制等先進(jìn)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(jī)床正常高效運(yùn)行。
鑒于以上各項(xiàng)要求，筆者采用臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司的FBs-44MN PLC作為該機(jī)床控制主單元，該型機(jī)具有較高的性價(jià)比，體積小，使用起來(lái)非常方便，接線簡(jiǎn)捷。其編程軟件WinProladder有梯形圖大師之稱，易學(xué)易用且功能強(qiáng)大，編輯、監(jiān)視、除錯(cuò)等操作非常順手，按鍵、鼠標(biāo)并用及在線即時(shí)指令功能查詢與操作指引，使編輯、輸入效率倍增。同時(shí)配以人機(jī)界面進(jìn)行程序參數(shù)修改、設(shè)定以及運(yùn)行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機(jī)界面的內(nèi)容。該控制系統(tǒng)具有可靠性高，價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，非常適合機(jī)床的控制要求，具體控制思路如圖3所示。
 
圖3 采用永宏P(guān)LC FBs-44MN 的NC 機(jī)床定位電氣控制系統(tǒng)圖

可編程邏輯控制器是該機(jī)床各項(xiàng)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(jī)界面進(jìn)行程序參數(shù)修改、設(shè)定，以及運(yùn)行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機(jī)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(jī)通過(guò)連軸器帶動(dòng)滾珠絲杠，以移動(dòng)配有直線導(dǎo)軌的工作臺(tái)和主軸銑頭，其定位準(zhǔn)確，速度快。主軸銑頭由變頻器控制，根據(jù)刀具及工件和進(jìn)給量，來(lái)設(shè)置主軸合理的轉(zhuǎn)速，并在程序中設(shè)定它的啟動(dòng)停止。各軸均設(shè)二端極限傳感器和原點(diǎn)傳感器，冷卻和潤(rùn)滑也都有異常檢測(cè)，在報(bào)警燈和人機(jī)界面處顯示報(bào)警信息由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到給定位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)。設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)。早期使用一般電機(jī)作為定位控制，由于速度不快、或者精度要求不高，所以足夠應(yīng)對(duì)所需場(chǎng)合;當(dāng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時(shí)，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量、精度要求越來(lái)越高時(shí)，電機(jī)停止位置的控制就不是一般電機(jī)所能達(dá)到的了。解決這一問(wèn)題的****方法是采用NC定位控制配合步進(jìn)或伺服電機(jī)作定位控制。但在過(guò)去，由于它的價(jià)格很高，而限制了它使用的普遍性，近年來(lái)由于技術(shù)的發(fā)展及成本的降低，其價(jià)位已被用戶所接受，使用數(shù)量也越來(lái)越多。為配合這一趨勢(shì)，永宏P(guān)LC 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，更大幅降低整體成本，為用戶提供一種價(jià)廉物美、簡(jiǎn)單方便的PLC整合NC定位控制的方案。永宏P(guān)LC 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(jì)數(shù)器，并且提供簡(jiǎn)易使用和設(shè)計(jì)的定位程序編輯，對(duì)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(dòng)器所構(gòu)成的NC閉環(huán)回路控制系統(tǒng)中，PLC負(fù)責(zé)發(fā)送高速脈沖命令給伺服驅(qū)動(dòng)器，除了裝在伺服電機(jī)的位移檢測(cè)信號(hào)直接反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器外，外加位移檢測(cè)器裝在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之后，真正反映實(shí)際位移量，并將此信號(hào)反饋到PLC 內(nèi)部的高速硬件計(jì)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(diǎn)。永宏P(guān)LC 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(gè)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(dòng)控制，除了提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的定位速度控制，還提供了各軸間直線插補(bǔ)功能。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用超過(guò)4軸時(shí)還可利用永宏P(guān)LC的CPU LINK功能達(dá)到更多的定位運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括:定位速度和輪廓切削進(jìn)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。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，總希望系統(tǒng)有較高的動(dòng)態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)較小的位置誤差時(shí)，機(jī)床移動(dòng)部件會(huì)迅速反應(yīng)。在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機(jī)床的機(jī)械允許界限和實(shí)際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對(duì)驅(qū)動(dòng)要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個(gè)檢測(cè)與反饋的問(wèn)題，尤其是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時(shí)間是否足夠。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測(cè)元件置于被測(cè)坐標(biāo)軸的終端移動(dòng)部件上，以檢測(cè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中螺距誤差、間隙及各種干擾所造成的傳動(dòng)誤差，并進(jìn)行反饋補(bǔ)償控制，從而提高機(jī)床的位置控制精度。在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對(duì)位置檢測(cè)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(qiáng)，耐油耐污及維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于高精度全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的工作場(chǎng)合。數(shù)控機(jī)床要求具備穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，而大型數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)給系統(tǒng)軸幾乎所有不穩(wěn)定的非線性因素，調(diào)整不當(dāng)很容易使機(jī)床產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。
因此數(shù)控機(jī)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(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高的位置精度。伺服電機(jī)的編碼器將位移檢測(cè)信號(hào)反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將輸入信號(hào)的脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，經(jīng)內(nèi)部的偏差計(jì)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(jī)實(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)的脈沖頻率成正比，而電機(jī)的移動(dòng)量則由脈沖數(shù)決定。圖4是PLC控制下的伺服電機(jī)工作示意圖。

圖4 數(shù)控機(jī)床伺服電機(jī)工作示意圖

5 相關(guān)程序設(shè)計(jì)與操作
PLC通過(guò)編程器輸入程序，達(dá)到控制目的。由于PLC工作過(guò)程是循環(huán)，所以程序執(zhí)行速度很快。另外軟件故障檢測(cè)設(shè)計(jì)在采用硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用軟件檢測(cè)外部行程開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)行程開關(guān)失靈后，通過(guò)程序控制停止機(jī)床的運(yùn)行，有效地減少了機(jī)床因元件失靈造成的事故。
圖5是使用編程軟件WinProladder編輯定位程序參數(shù)設(shè)定指令圖，圖6是具體操作加工程序圖。
 
圖5 定位程序參數(shù)設(shè)定指令圖
 
圖6 加工程序圖

6 結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用大國(guó)，但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還不高，嚴(yán)重制約著我國(guó)制造業(yè)水平的提高。國(guó)際上的相關(guān)開發(fā)計(jì)劃對(duì)我國(guó)的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)了機(jī)遇。只有選擇合適的PLC才能使定位達(dá)到預(yù)期的效果。永宏FBs系列PLC的NC定位功能在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，該機(jī)床經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行表明，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制精度高，運(yùn)行可靠，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減小了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
由于采用了PLC控制，使電氣部分的抗干擾能力增加，提高了機(jī)床的運(yùn)行可靠性，因而增加了設(shè)備的柔性，提高了設(shè)備的使用效率。