可編程序控制器在機床數(shù)控系統(tǒng)中應用探討.doc

可編程序控制器在機床數(shù)控系統(tǒng)中應用探討1、引言 近年來，PLC在工業(yè)自動控制領域應用愈來愈廣，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)處理等方面的應用也越來越多。在機床的實際設計和生產(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，且程序的設計和調(diào)試相當方便。本文提出的是如何應用永宏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，其軟硬件的設計思路可供工礦企業(yè)的相關數(shù)控機床設計改造借鑒。 2、數(shù)控機床組成結構及工作過程 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，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，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的軟件?？删幊炭刂破鲗χ鬏S單元實現(xiàn)控制，將程序中的轉速指令進行處理而控制主軸轉速;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;控制主軸正反轉和停止、準停、切削液開關、卡盤夾緊松開、機械手取送刀等動作;還對機床外部開關(行程開關、壓力開關、溫控開關等)進行控制;對輸出信號(刀庫、機械手、回轉工作臺等)進行控制。檢測反饋裝置由檢測元件和相應的電路組成，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)控加工的準備過程較復雜，內(nèi)容多，含對零件的結構認識、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計合理性進行檢查和調(diào)整。試切加工則是對零件加工設計方案進行動態(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、機床數(shù)控系統(tǒng)需要解決的幾個問題 機床是由機械和電氣兩部分組成，在設計總體方案時應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)的功能都很復雜，所以更應機電溝通，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，各項操作均設手動功能，如手動各軸快慢移動、主軸高低速旋轉、切削液及潤滑開關等。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、時序無關的按照邏輯關系進行聯(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)的修改應在線進行。盡管使用編程器可以方便快速地改變原設定參數(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)目障?，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。 4、永宏FBs系列PLC的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、高效率的自動化設備，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)控機床的整體結構諧和協(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、設定以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設置人機界面的內(nèi)容。該控制系統(tǒng)具有可靠性高，價格便宜，結構緊湊等特點，非常適合機床的控制要求?？删幊踢壿嬁刂破魇窃摍C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構。由圖3可以看出，系統(tǒng)控制中心采用永宏PLC FBs-44MN控制，并配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設定，以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設置人機界面的內(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，以移動配有直線導軌的工作臺和主軸銑頭，其定位準確，速度快。主軸銑頭由變頻器控制，根據(jù)刀具及工件和進給量，來設置主軸合理的轉速，并在程序中設定它的啟動停止。各軸均設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，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)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設計和調(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，由于速度不快、或者精度要求不高，所以足夠應對所需場合;當機械運轉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，由于它的價格很高，而限制了它使用的普遍性，近年來由于技術的發(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定位控制器之間復雜的數(shù)據(jù)交換與連結程序外，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計的定位程序編輯，對于這方面的應用，更是如虎添翼、如魚得水、得心應手了。PLC結合伺服驅(qū)動器所構成的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。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鍵。感應同步器具有精度高、重復性好、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)器與頻率轉電壓電路處理后，得到脈沖偏差值與轉速誤差值，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。 5、相關程序設計與操作 PLC通過編程器輸入程序，達到控制目的。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計在采用硬件設計的基礎上采用軟件檢測外部行程開關狀態(tài)，當行程開關失靈后，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。 6、結束語 我國是一