可编程控制器在数控机床的应用

姜广政

可编程控制器是工业环境下专门应用的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等特点，是实现机电一体化的理想控制装置。通过实践与深入研究，笔者提出了利用编程控制器控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法。

一、数控系统

数控机床的基本原理是，当加工程序被送入数控机床的数控装置后，数控装置对其进行译码、寄存和运算处理，然后以脉冲的形式向伺服系统发出控制信号。伺服系统接到控制控制信号后，驱动机床工作台严格按照指令的要求进行移动，从而控制刀具与零件的相对运动。数控系统按其控制的运动轨迹划分有点位控制系统、直线控制系统、轮廓控制系统。在进行机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上(例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床)，其特点是，机床移动部件能准确控制移动部件的终点位置，但不用考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。

二、电力线通信（PLC）在数控机床中的功能

1．机床操作面板控制

将机床操作面板上的控制信号直接送入PLC，以控制数控机床的运行。

2．开关控制信号控制

将开关控制信号送入PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。

3．输出信号控制

PLC输出的信号经电气柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阀，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外对冷却泵电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。

4．伺服控制

控制主轴和伺服进给驱动装置的使能信号，以满足伺服驱动的条件，通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。

三、控制系统研制中需要认识与解决的问题

1．处理好保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾

步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，转速必然很低。同时为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时刀具或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间太长。因此，如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项亟待解决的问题。

2. 防止步进电机运行时出现失步和误差

步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性。但由于PLC是以循环扫描方式工作，扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，受此影响，步进电机不能在高频下工作。

四、控制系統方案

要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程调整为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，刀具不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使刀具或工作台快速移动至接近定位点时（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让刀具或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为0.01mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此不会影响定位速度。

应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入 ，目前较为先进的PLC不仅满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。 选用BCD码拨盘装置应用于PLC控制的系统，这样无需再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路，并利用先进的功能指令实现数据的存储和传输，因此能极方便地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，最好设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被PLC读入并处理。

应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中切实可做。该控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等优点。

(作者单位：山东省济宁市技术学院)