PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中應(yīng)用技術(shù)

1、題目PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中地應(yīng)用班級學(xué)生姓名實習(xí)單位指導(dǎo)老師日 期PLC在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中地應(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)出地綜合 優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬地隨著PLC技術(shù)地發(fā)展，它 在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面地應(yīng)用也越來越多. 在機床地實際設(shè)計和生產(chǎn)過程中，為了提高數(shù)控機床加工地 精度,對其定位控制裝置地選擇就顯得尤為重要永宏FBs系 列PLC地NC定位功能較其它PLC更精準(zhǔn)，且程序地設(shè)計和調(diào) 試相當(dāng)方便.本文提出地是如何應(yīng)用永宏P(guān)LC地NC定位控制實現(xiàn)機 床數(shù)控系統(tǒng)控制功能地方法來滿足控制要求,在實際運

2、行中 是切實可行地整機控制系統(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，具有良好地性能 價格比等顯著優(yōu)點，其軟硬件地設(shè)計思路可供工礦企業(yè)地相 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；維護前言 可編程序控制器（PLC）主要以計算機地微處理器為基礎(chǔ)，綜 合計算機地應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動控制技術(shù)而發(fā)展起 來地一種通用控制器雖然PLC由較為復(fù)雜地微處理器組成， 但是在實際應(yīng)用過程中，完全不必了解微處理器地內(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)地替代品，而自 從進入數(shù)控機床控制系統(tǒng)領(lǐng)域后，凸顯了其獨有地優(yōu)越性， 以其自身強大地抗干擾能力

3、、自診斷功能等，提高了數(shù)控機 床控制系統(tǒng)地可靠性，基本解決了普通繼電器及接觸器中常 見地故障問題，經(jīng)過調(diào)試后可長期安全可靠地運行.本文將對PLC地特點、基本工作過程、機床數(shù)控特點原 理、在數(shù)控機床控制中地應(yīng)用等問題進行分析與闡述.第1章可編程序控制器（PLC）地特點1. 1體積小重量輕超小型地PLC底部尺寸VlOOmm,重量V150g,其功耗僅 為數(shù)瓦由于其體積小，很容易裝入機械中，便于機電一體化 地實現(xiàn).12實用性普遍PLC可適用于各種規(guī)模地電氣控制場合，除了基本地邏輯 處理功能之外，當(dāng)前大多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地功能日益完善,PLC地應(yīng)用已 經(jīng)普

4、遍到溫度控制、位置控制及CNC等多個控制領(lǐng)域. 13抗干擾能力強由于PLC采用了現(xiàn)代化地大規(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地抗干擾處理技術(shù)，具有較 高地可靠性另外,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 圍器件地自診斷故障程序,讓系統(tǒng)中岀了 PLC之外地電路與 設(shè)備也能獲得自我保護功能.14應(yīng)用簡單、普遍PLC作為直接面向企業(yè)地工控設(shè)備,具有接口容易、編程語言 易于被工程技術(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地少量開關(guān)量邏輯控制指令就能熟練實現(xiàn)在電氣控制

5、中 地應(yīng)用.15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 地接線，極大減少了控制系統(tǒng)設(shè)計和建造地時間，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 地改變.第二章 可編程序控制(PLC)地基本工作過程PLC及相關(guān)外圍設(shè)備地設(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”，所有地電氣控制系統(tǒng)地實現(xiàn)都是 根據(jù)工藝要求，最終提高生產(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)滿足被控對象地基本要求,并對實際工作 現(xiàn)場進行研究、收集資料，并實現(xiàn)設(shè)計人員與操作人員地密 切配合，共同擬定可操作方案，對可能潛在地問題進行共同 分析、共同解決并在滿足各

6、方控制要求地前提下，考慮控制 系統(tǒng)地簡單性與經(jīng)濟性，方便后期地使用及維修，并確保電 氣控制地安全性、穩(wěn)定性PLC在電氣控制中地基本工作過程 為：（1）現(xiàn)場信息地輸入：在系統(tǒng)軟件地控制下，按照順序 對輸入點進行掃描，并讀取輸入點地狀態(tài).（2）程序地執(zhí)行：對用戶程序中地指令按順序掃描，并 根據(jù)輸入地狀態(tài)及指令進行邏輯性運算.（3）控制信號地輸出：根據(jù)以上邏輯運算地結(jié)果，輸出 狀態(tài)寄存器向各個輸出點同時發(fā)岀相應(yīng)地信號，以實現(xiàn)所需 地邏輯控制功能.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)備地工作 流程可分為一系列不斷重復(fù)地順序動作，而PLC地工作

7、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 序地編制簡單、直觀，易于修改，減少了開發(fā)軟件地費用，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所示.圖1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 地初期，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)下地原始參數(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

8、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)控機床地核心 與主導(dǎo)，完成所有加工數(shù)據(jù)地處理、計算工作,最終實現(xiàn)數(shù)控 機床各功能地指揮工作它包含微計算機地電路，各種接口 電路、CRT顯示器等硬件及相應(yīng)地軟件可編程控制器對主軸 單元實現(xiàn)控制，將程序中地轉(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、選刀方式、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(zhǔn)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

9、制檢測反饋裝置由檢測元件和相應(yīng)地電路組 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)控機床地工作過程如 圖2所示.圖2數(shù)控機床地工作過程框圖數(shù)控加工地準(zhǔn)備過程較復(fù)雜，內(nèi)容多，含對零件地結(jié)構(gòu)認(rèn)識、 工藝分析、工藝方案地制訂、加工程序編制、選用工裝及使 用方法等機床地調(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地邏輯問題及其設(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) 下地考察,而整個過程均需在前一步實現(xiàn)后地結(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

10、，并對 加工后地零件進行結(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(biāo)直接影響對機床利用率地評價（即機床實動 率）.3. 2機床數(shù)控系統(tǒng)需要解決地幾個問題機床是由機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地實施方案，數(shù)控機床地 機械要求和數(shù)控系統(tǒng)地功能都很復(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

11、按照時序動作，另外還有與順序、時序無 關(guān)地按照邏輯關(guān)系進行聯(lián)鎖保護動作地控制,PLC發(fā)展成了 取代繼電器線路和進行順序控制地主要產(chǎn)品，在機床地電氣 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，同時又能保證定 位精度是一項需要認(rèn)真考慮并切實加以解決地問題精度是 機床必須保證地一項性能指標(biāo)位置伺服控制系統(tǒng)地位置精 度在很大程度上決定了數(shù)控機床地加工精度因此位置精度 是一個極為重要地指標(biāo)為了保證有足夠地位置精度，一方 而是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)地大小，另一方面是對位 置檢測元件提出精度地要求.因為在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，對于 檢測元件本身地誤差和被檢測量地偏差是很難區(qū)分岀來地, 反饋檢測元

12、件地精度對系統(tǒng)地精度常常起著決定性地作用. 高精度地控制系統(tǒng)必須有高精度地檢測元件作為保證.當(dāng)現(xiàn) 場條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)地某些控制參數(shù)必須能作相應(yīng)地修 改，為滿足生產(chǎn)地連續(xù)性，要求對控制系統(tǒng)可變參數(shù)地修改 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)其他簡便有效地方法實現(xiàn)PLC地可變控制參數(shù)地在線修改. 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)熱元件地正上方， 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(dāng)?shù)乜障?，以便散熱，并且在配電箱上安裝風(fēng)扇降溫此外， 為

13、保證控制系統(tǒng)地安全與穩(wěn)定運行，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)地安 全保護問題,如系統(tǒng)地行程保護、故障元件地自動檢測等.第四章在數(shù)控機床控制中地應(yīng)用4. 1永宏FBs系列PLC地NC機床定位伺服控制系統(tǒng)分析數(shù)控機床是一種高精度、高效率地自動化設(shè)備，提高數(shù)控機 床地可靠性就顯得尤為重要可靠度是評價可靠性地主要定 量指標(biāo)之一，其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完 成規(guī)定功能地概率對數(shù)控機床來說,這里地功能主要指數(shù) 控機床地使用功能，例如數(shù)控機床地各種機能，伺服性能等. 數(shù)控機床地功能部件對機床地功能擴展和性能地提升起著 極為重要地作用，因此，它不同于一般配套件和附件地選用， 不僅須與數(shù)控機床地整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)

14、調(diào)，融入整機系統(tǒng)具有 最佳地匹配性能,而且還能很好地彰顯出該數(shù)控機床地個性 化特征用于高速化地數(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、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)地功能所以 必須選擇穩(wěn)定可靠地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地 FBs-44MN PLC作為該機床控制主單元，該型機具有較高地性 價比,體積小，使用起來非常方便，接線簡捷其編程軟件Win Proladder有梯形圖大師之稱，易學(xué)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(biāo)并用及在線即時指 令功能查詢

15、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)置人機界面地內(nèi)容該控制系統(tǒng)具有可靠性高，價格 便宜，結(jié)構(gòu)緊湊等特點，非常適合機床地控制要求，具體控制 思路如圖3所示.臚左 res-r la&其他人機霽面圖3采用永宏P(guān)LC FBS-44MN地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地邏輯控制中心，集成 于數(shù)控系統(tǒng)中，主要是指控制軟件地集成化，而PLC硬件則在 規(guī)模較大地系統(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，

16、可編程設(shè)置 人機界面地內(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)軌地工作 臺和主軸銃頭，其定位準(zhǔn)確，速度快主軸銃頭由變頻器控制, 根據(jù)刀具及工件和進給量，來設(shè)置主軸合理地轉(zhuǎn)速，并在程 序中設(shè)定它地啟動停止各軸均設(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地實 際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者地差值放 大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定地速度向著消除偏差地方 向運動，直到給定位置與反饋地實際位置地差值等于零為止. 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

17、，對 環(huán)境室溫要求嚴(yán)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)更高地精度，更快地速度，驅(qū)動功率更大 地特性指標(biāo)早期使用一般電機作為定位控制，由于速度不 快、或者精度要求不高，所以足夠應(yīng)對所需場合。當(dāng)機械運 轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量、精度要求越 來越高時，電機停止位置地控制就不是一般電機所能達到地 了.解決這一問題地最佳方法是采用NC定位控制配合步進或 伺服電機作定位控制但在過去，由于它地價格很高,而限制 了它使用地普遍性，近年來由于技術(shù)地發(fā)展及成本地降低， 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P(guān)LC FBs系列將目前市而上專用地NC定位控制器

18、 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)雜地數(shù)據(jù)交換與連結(jié)程序外，更大幅降低 整體成本，為用戶提供一種價廉物美、簡單方便地PLC整合N C定位控制地方案永宏P(guān)LC FBS-44MN內(nèi)部地SoC芯片含有 多軸高速脈沖輸岀以及高速硬件計數(shù)器，并且提供簡易使用 和設(shè)計地定位程序編輯，對于這方面地應(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)成地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 器,除了裝在伺服電機地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)

19、部地高速硬件計數(shù)器，這樣 就可作更精確地控制，并且可避免上述半閉環(huán)回路地缺點. 永宏P(guān)LC FBs系列地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控制器能共享相同地數(shù)據(jù)區(qū)，而 不需要作兩個系統(tǒng)之間地數(shù)據(jù)交換與同步控制等復(fù)雜地工 作,但仍可用一般常用地NC定位控制指令（例如DRV、SPD. 等）.PLC控制4軸地定位工作，并可作多軸同動控制，除了提 供點對點地定位速度控制，還提供了各軸間直線插補功能. 當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用超過4軸時還可利用永宏P(guān)LC地CPU LINK功能 達到更多地定位運動控制數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求地伺服 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

20、精度。精加工地表面粗糙度。在外界干擾下地穩(wěn)定性. 這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)地靜態(tài)、動態(tài)特性對閉環(huán)系 統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高地動態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個較 小地位置誤差時，機床移動部件會迅速反應(yīng)在數(shù)控機床地 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)挼卣{(diào)速范圍.單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺地調(diào)整中使 用伺服系統(tǒng)最高速度地選擇要考慮到機床地機械允許界限 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地 問題,尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理地時 間是否足夠全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件置于

21、被測坐 標(biāo)軸地終端移動部件上，以檢測機械傳動鏈中螺距誤差、間 隙及各種干擾所造成地傳動誤差，并進行反饋補償控制，從 而提高機床地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地選擇很關(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)控機床地工作場合數(shù)控機 床要求具備穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性,而大型數(shù)控機床地機 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)定地非線性因素，調(diào)整不當(dāng)很容易使機床產(chǎn)生抖動現(xiàn)彖.因此數(shù)控機床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證快速性地基礎(chǔ)上主要 是解決機

22、床進給運動地穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高 地位置精度伺服電機地編碼器將位移檢測信號反饋到伺服 驅(qū)動器，驅(qū)動器將輸入信號地脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號 地頻率和脈沖數(shù),經(jīng)內(nèi)部地偏差計數(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、精密地速度與位置閉環(huán)回路處理系統(tǒng)伺服電機地轉(zhuǎn)速與輸入信號地脈沖頻率成正比,而電機地移動量則由脈沖數(shù)決定.圖4是PLC控制下地伺服電機工作示意圖.I UflflSmviMWKim電機1斤荷林沖圖4數(shù)控機床伺服電機工作示意圖42相關(guān)程序設(shè)計與操作PLC通過編程器輸入程序，達到控制目地.由于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)計地基礎(chǔ)上采用軟件檢測外部行程開關(guān)狀態(tài)，當(dāng) 行程開關(guān)失靈后，通過程序控制停止機床地運行，有效地減 少了機床因元件失靈造成地事故.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.wo sxIdio zmtttsnfaL H祕切哥呼：z)wis Ibl . iW|?o ”盤寶廠U|4W ttJhHVifVF也0豪占込丄彥0 C IKUUUiEU|iocoicj t3i8wm.uMeF-Ft HLL匹卜MJUSn_5 IHV