PLC在數控系統點(diǎn)位控制中的應用

一、 引言

　　數控技術(shù)是綜合應用了電子技術(shù)、計算技術(shù)、自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測等現代科學(xué)技術(shù)成就而發(fā)展起來(lái)的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機械加工行業(yè)中的應用日益廣泛。
　　數控系統按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統、直線(xiàn)控制系統、連續控制系統。在機械加工時(shí)，數控系統的點(diǎn)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(diǎn)是，機床移動(dòng)部件能實(shí)現由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，即準確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過(guò)程中刀具不切削工件。
　　實(shí)現數控系統點(diǎn)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，但其價(jià)格卻很昂貴，而且許多功能對點(diǎn)位控制來(lái)說(shuō)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(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)外，還要設計硬件電路、接口電路、驅動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現場(chǎng)中的抗干擾問(wèn)題。
　　由于可編程控制器（PLC）是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、是實(shí)現機電一體化的理想控制裝置等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，因此通過(guò)實(shí)踐與深入研究，本文提出了利用PLC控制步進(jìn)電機實(shí)現數控系統點(diǎn)位控制功能的有關(guān)見(jiàn)解與方法，介紹了控制系統研制中需要認識與解決的若干問(wèn)題，給出了控制系統方案及軟硬件結構的設計思路，對于工礦企業(yè)實(shí)現相關(guān)機床改造具有較高的應用與參考價(jià)值。

二、控制系統研制中需要認識與解決的若干問(wèn)題

　　1. 防止步進(jìn)電機運行時(shí)出現失步和誤差
　　步進(jìn)電機是一種性能良好的數字化執行元件，在數控系統的點(diǎn)位控制中，可利用步進(jìn)電機作為驅動(dòng)電機。在開(kāi)環(huán)控制中，步進(jìn)電機由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產(chǎn)生脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機可以有效地簡(jiǎn)化系統的硬件電路，進(jìn)一步提高可靠性。由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進(jìn)電機不能在高頻下工作。例如，若控制步進(jìn)電機的脈沖頻率為4000HZ，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數量級就比掃描周期小很多，如采用此頻率來(lái)控制步進(jìn)電機。則PLC在還未完成輸出刷新任務(wù)時(shí)就已經(jīng)發(fā)出許多個(gè)控制脈沖，但步進(jìn)電機仍一動(dòng)不動(dòng)，出現了嚴重的失步現象。若控制步進(jìn)電機的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為10毫秒，與PLC的掃描周期約處于同一數量級，步進(jìn)電機運行時(shí)亦可能會(huì )產(chǎn)生較大的誤差。因此用PLC驅動(dòng)步進(jìn)電機時(shí)，為防止步進(jìn)電機運行時(shí)出現失步與誤差，步進(jìn)電機應在低頻下運行，脈沖信號頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設計加以實(shí)現。

　　2. 保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾
　　步進(jìn)電機的轉速與其控制脈沖的頻率成正比，當步進(jìn)電機在極低頻下運行時(shí)，其轉速必然很低。而為了保證系統的定位精度，脈沖當量即步進(jìn)電機轉一個(gè)步距角時(shí)刀具或工作臺移動(dòng)的距離又不能太大，這兩個(gè)因素合在一起帶來(lái)了一個(gè)突出問(wèn)題：定位時(shí)間太長(cháng)。例如若步進(jìn)電機的工作頻率為20HZ，即50ms走一步，取脈沖當量為δ＝0.01mm/步，則1秒鐘刀具或工作臺移動(dòng)的距離為20x0.01＝0.2mm，1分鐘移動(dòng)的距離為60x0.2＝12mm，如果定位距離為120mm，則定位時(shí)間需要10分鐘，如此慢的定位速度在實(shí)際運行中是難以忍受的。
　　為了保證定位精度，脈沖當量不能太大，但卻影響了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同時(shí)又能保證定位精度是一項需要認真考慮并切實(shí)加以解決的問(wèn)題。

　　3. 可變控制參數的在線(xiàn)修改
　　PLC應用于點(diǎn)位控制時(shí)，用戶(hù)顯然希望當現場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)，系統的某些控制參數能作相應的修改，例如步進(jìn)電機步數的改變，速度的調整等。為滿(mǎn)足生產(chǎn)的連續性，要求對控制系統可變參數的修改應在線(xiàn)進(jìn)行。盡管使用編程器可以方便快速地改變原設定參數，但編程器一般不能交現場(chǎng)操作人員使用；雖然利用PLC的輸入按鍵并配合軟件設計也能實(shí)現控制參數的在線(xiàn)修改，但由于PLC沒(méi)有提供數碼顯示單元，因此需要為此單獨設計數碼輸入顯示電路，這又將極大地占用PLC的輸入點(diǎn)，導致硬件成本增加，而且操作不便，數據輸入速度慢。所以，應考慮開(kāi)發(fā)其他簡(jiǎn)便有效的方法實(shí)現PLC的可變控制參數的在線(xiàn)修改。

　　4. 其他問(wèn)題
　　為了實(shí)現點(diǎn)位控制過(guò)程中數字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求，另外還得單獨設計PLC的數碼輸出顯示電路。由于目前PLC I/O點(diǎn)的價(jià)格仍較高，因此應著(zhù)重考慮選用能壓縮顯示輸出點(diǎn)的合適方法。此外，為保證控制系統的安全與穩定運行，還應解決控制系統的安全保護問(wèn)題，如系統的行程保護、故障元件的自動(dòng)檢測等。

三、控制系統方案

　　1. 將定位過(guò)程劃分為脈沖當量不同的兩個(gè)階段
　　要獲得高的定位速度，同時(shí)又要保證定位精度，可以把整個(gè)定位過(guò)程劃分為兩個(gè)階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個(gè)階段均采用相同頻率的脈沖控制步進(jìn)電機，但采用不同的脈沖當量。粗定位階段：由于在點(diǎn)位過(guò)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(jìn)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(shí)間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿(mǎn)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(dòng)至接近定位點(diǎn)時(shí)，（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(jìn)入精定位階段，讓刀具或工作臺慢慢趨近于定位點(diǎn)，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（可定為全行程的五十分之一左右），因此并不會(huì )影響到定位速度。
　　為了實(shí)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(jìn)電機直接驅動(dòng)刀具或工作臺傳動(dòng)，在精定位階段，則采用降速傳動(dòng)。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(shí)現BCD碼撥盤(pán)數據輸入
　　目前較為先進(jìn)的PLC不僅具有滿(mǎn)足順序控制要求的基本邏輯指令，而且還提供了豐富的功能指令。如果說(shuō)基本邏輯指令是對繼電器控制原理的一種抽象提高的話(huà)，那么功能指令就象是對匯編語(yǔ)言的一種抽象提高。BCD碼數據撥盤(pán)是計算機控制系統中常用到的十進(jìn)制撥盤(pán)數據輸入裝置。撥盤(pán)共有0~9+個(gè)位置，每一位置都有相應的數字指示。一個(gè)撥盤(pán)可代表一位十進(jìn)制數據，若需輸入多位數據，可以用多片BCD碼撥盤(pán)并聯(lián)使用。
　　筆者選用BCD碼撥盤(pán)裝置應用于PLC控制的系統，這樣無(wú)需再設計數碼輸入顯示電路，有效地節省了PLC的輸入點(diǎn)，簡(jiǎn)化了硬件電路，并利用先進(jìn)的功能指令實(shí)現數據的存儲和傳輸，因此能極方便地實(shí)現數據的在線(xiàn)輸入或修改（如計數器設定值的修改等），若配合簡(jiǎn)單的硬件譯碼電路，就可顯示有關(guān)參數的動(dòng)態(tài)變化（如電機步數的遞減變化等）。為避免在系統運行中撥動(dòng)撥盤(pán)可能給系統造成的波動(dòng)，最好設置一輸入鍵，當確認各片撥盤(pán)都撥到位后再按該鍵，這時(shí)數據才被PLC讀入并處理。

　　3. “軟件編碼、硬件解碼”
　　為滿(mǎn)足壓縮輸出點(diǎn)這一前提條件，采用“軟件編碼、硬件解碼”的方法設計PLC的數碼輸出顯示電路。例如，對于9種及其以下的故障狀態(tài)顯示，可采用8-4軟件編碼，4-8硬件解碼，使顯示故障的輸出點(diǎn)壓縮為4個(gè)，硬件電路包含74LS04、74LS48、共陰數碼管等器件。

　　4. PLC外部元件故障的自動(dòng)檢測
　　由于PLC具有極高的可靠性，因此PLC控制系統中絕大部分的故障不是來(lái)自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常見(jiàn)的按鈕或行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的熔焊及氧化就分別對應著(zhù)短路故障及開(kāi)路故障。系統一旦自動(dòng)檢測到元件故障，應不僅具有聲光報警功能，而且能立即顯示故障代碼，以便用戶(hù)據此迅速判斷出故障原因。為節省篇幅，此項內容的程序設計思路見(jiàn)參考文獻。

四、控制系統的軟硬件結構

　　1. 軟件結構
　　軟件結構根據控制要求而設計，主要劃分為五大模塊：即步進(jìn)電機控制模塊、定位控制模塊、數據撥盤(pán)輸入及數據傳輸模塊、數碼輸出顯示模塊、元件故障的自動(dòng)檢測與報警模塊。
　　由于整個(gè)軟件結構較為龐大，脈沖控制器產(chǎn)生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時(shí)序脈沖，通過(guò)三相六拍環(huán)形分配器使三個(gè)輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進(jìn)電機。為實(shí)現定位控制，采用不同的計數器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數器的設定值依據行程而定。例如，設刀具或工作臺欲從A點(diǎn)移至C點(diǎn)，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當量快速移動(dòng)，利用了6位計數器（C660/C661），而B(niǎo)C段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數器C460，在粗定位結束進(jìn)入精定位的同時(shí)，PLC自動(dòng)接通電磁離合器輸出點(diǎn)Y433以實(shí)現變速機構的更換。

　　2. 硬件結構

五、結束語(yǔ)

　　系統試驗表明，本文提出的應用PLC控制步進(jìn)電機實(shí)現數控系統點(diǎn)位控制功能的方法能滿(mǎn)足控制要求，在實(shí)際運行中是切實(shí)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(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強，具有良好的性能價(jià)格比等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設計思路可應用于工礦企業(yè)的相關(guān)機床改造。