可编程序控制器(PLC)在机床数控系统中应用

近年来，/r/nPLC/r/n在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出/r/n的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着/r/nPLC/r/n技术的发展/r/n,/r/n它在位置控制、过程控制、数据处理等/r/n方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控/r/n制装置的选择就显得尤为重要。永宏/r/nFBs/r/n系列/r/nPLC/r/n的/r/nNC/r/n定位功能较其它/r/nPLC/r/n更精准，且程序的设计和调/r/n试相当方便。本文提出的是如何应用永宏/r/nPLC/r/n的/r/nNC/r/n定位控制实现机床数控系统控制功能的方法来满足控/r/n制要求，在实际运行中是切实可行的。整机控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠/r/n性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数/r/n控机床设计改造借鉴。/r/n数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床主机等组/r/n成，/r/n输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为穿孔纸带，现已趋/r/n于淘汰/r/n;/r/n目前，使用键盘、磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出指输出内部工作参数/r/n(/r/n含机床正常、/r/n理想工作状态下的原始参数，故障诊断参数等/r/n)/r/n，一般在机床刚工作状态需输出这些参数作记录保存，待/r/n工作一段时间后，再将输出与原始资料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否维持正常。数控装置是/r/n数控机床的核心与主导，完成所有加工数据的处理、计算工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。/r/n它包含微计算机的电路，各种接口电路、/r/nCRT/r/n显示器等硬件及相应的软件。可编程控制器对主轴单元实/r/n现控制，将程序中的转速指令进行处理而控制主轴转速/r/n;/r/n管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、刀具/r/n累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理/r/n;/r/n控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡盘/r/n夹紧松开、机械手取送刀等动作/r/n;/r/n还对机床外部开关/r/n(/r/n行程开关、压力开关、温控开关等/r/n)/r/n进行控制/r/n;/r/n对输出/r/n信号/r/n(/r/n刀库、机械手、回转工作台等/r/n)/r/n进行控制。检测反馈装置由检测元件和相应的电路组成，主要是检/r/n测速度和位移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环控制以保证数控机床加工精度。/r/n数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程/r/n序编制、选用工装及使用方法等。机床的调整主要包括刀具命名、调入刀库、工件安装、对刀、测量刀/r/n位、机床各部位状态等多项工作内容。程序调试主要是对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进行检查/r/n和调整。试切加工则是对零件加工设计方案进行动态下的考察，而整个过程均需在前一步实现后的结果/r/n评价后再作后一步工作。试切成功后方可对零件进行正式加工，并对加工后的零件进行结果检测。前三/r/n步工作均为待机时间，为提高工作效率，希望待机时间越短越好，越有利于机床合理使用。该项指标直/r/n接影响对机床利用率的评价/r/n(/r/n即机床实动率/r/n)/r/n。/r/n机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方/r/n案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。机床控制系统选/r/n件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。同时为便于调试和检/r/n修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。/r/nPLC/r/n按照/r/n逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作，另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作/r/n的控制，/r/nPLC/r/n发展成了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品/r/n,/r/n在机床的电气控制中应用也比较普/r/n遍。/r/n在实际控制中如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决/r/n的问题。精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控/r/n机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选/r/n择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，/r/n对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常/r/n起着决定性的作用。高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。当现场条件发生变化时，系/r/n统的某些控制参数必须能作相应的修改，为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线/r/n进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用/r/n;/r/n所以，/r/n应考虑开发其他简便有效的方法实现/r/nPLC/r/n的可变控制参数的在线修改。另外为了防止电压过高损坏/r/nPLC/r/n，电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热/r/n,/r/nPLC/r/n不许安装在/r/n变压器/r/n等发热元件的正上方，/r/n变频器/r/n与/r/nPLC/r/n、伺服驱动器等保持一定距离。在元件间留有适当的空隙，以便散热，并且在配电箱上安装风扇/r/n降温。此外，为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保/r/n护、故障元件的自动检测等。/r/n数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是/r/n评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为/r/n:/r/n产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对/r/n数控机床来说，这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。数控/r/n机床的功能部件对机床的功能扩展和性能的提升起着极为重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附/r/n件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系统具有最佳的匹配性能，而且还能很好/r/n地彰显出该数控机床的个性化特征。用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能力，而是应具备热/r/n误差补偿单元以及能实现速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳控制等先进控制技术的功能。所/r/n以必须选择稳定可靠的控制单元才能保证数控机床正常高效运行。/r/n可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心，集成于数控系统中，主要是指控制软件的集成/r/n化，而/r/nPLC/r/n硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。系统控制中心采用/r/nPLC/r/n，并配以人机界面/r/n进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流/r/n伺服系统，各轴伺服/r/n电机/r/n通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位/r/n准确，速度快。主轴铣头由/r/n变频器/r/n控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序/r/n中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报警灯/r/n和人机界面处显示报警信息由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定/r/n值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到/r/n给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也/r/n高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快/r/n的速度，驱动功率更大的特性指标。早期使用一般/r/n电机/r/n作为定位控制，由于速度不快、或者精度要求不/r/n高，所以足够应对所需场合/r/n;/r/n当机械运转为了获取效率而将速度加快时，当产品质量、精度要求越来越高/r/n时，/r/n电机/r/n停止位置的控制就不是一般/r/n电机/r/n所能达到的了。解决这一问题的最佳方法是采用/r/nNC/r/n定位控制配/r/n合步进或伺服/r/n电机/r/n作定位控制。/r/nPLC/r/n结合伺服驱动器所构成的/r/nNC/r/n闭环回路控制系统中，/r/nPLC/r/n负责发送高/r/n速脉冲命令给伺服驱动器，除了装在伺服/r/n电机/r/n的位移检测信号直接反馈到伺服驱动器外，外加位移检测/r/n器装在传动机构之后，真正反映实际位移量，并将此信号反馈到/r/nPLC/r/n内部的高速硬件计数器，这样就可/r/n作更精确的控制，并且可避免上述半闭环回路的缺点。/r/n数控机床对位置系统要求的伺服性能包括/r/n:/r/n定位速度和轮廓切削进给速度/r/n;/r/n定位精度和轮廓切削精度/r/n;/r/n精加工的表面粗糙度/r/n;/r/n在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环/r/n系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反/r/n应。在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调/r/n速范围。/r/n单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统最高速度的选择要考虑到机/r/n床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。此外，从系统/r/n控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足/r/n够。全闭环伺服系统是将位置检测元件置于被测坐标轴的终端移动部件上，以检测机械传动链中螺距误/r/n差、间隙及各种干扰所造成的传动误差，并进行反馈补偿控制，从而提高机床的位置控制精度。在全闭/r/n环伺服控制系统中，对位置检测元件和反馈元件的选择很关键。感应同步器具有精度高、重复性好、抗/r/n干扰能力强，耐油耐污及维护简单等优点，特别适合于高精度全闭环数控机床的工作场合。数控机床要/r/n求具备稳定性、快速性和准确性，而大型数控机床的机械传动装置转动惯量较大，固有频率低，要使其/r/n大大高于系统截止频率很困难，全闭环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的非线性因素，调整不当很/r/n容易使机床产生抖动现象。/r/n因此数控机床全闭环伺服系统在保证快速性的基础上主要是解决机床进给运动的稳定性而获得比半/r/n闭环伺服系统高的位置精度。伺服/r/n电机/r/n的编码器将位移检测信号反馈到伺服驱动器，驱动器将输入信号/r/n的脉冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲数，经内部的偏差计数器与频率转电压电路处理后，得到/r/n脉冲偏差值与转速误差值，这样使控制伺服/r/n电机/r/n实现高速、精密的速度与位置闭环回路处理系统。伺服/r/n电机/r/n的转速与输入信号的脉冲频率成正比，而/r/n电机/r/n的移动量则由脉冲数决定。/r/nPLC/r/n通过编程器输入程序，达到控制目的。由于/r/nPLC/r/n工作过程是循环，所以程序执行速度很快。另