摘要：提出了PLC與伺服系統(tǒng)在數(shù)控車床的模擬量、數(shù)字量控制和位置控制中的綜合應(yīng)用，介紹了三菱公司FX2N系列PLC在數(shù)控車床中的應(yīng)用前景，對車床的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了討論，詳細(xì)闡述了機(jī)床控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，使機(jī)床在加工中精度得以保證。
關(guān)鍵詞：PLC 伺服系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)軌跡 精度
1、引言
近年來，PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，它在控制性能，組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的•綜合優(yōu)勢是其他工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著PLC技術(shù)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(yīng)用越來越多。
數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個(gè)國家的戰(zhàn)略地位，因此，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取各種措施來改進(jìn)和完善自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)中最具廣泛代表性的車床，越來越被人們所重視，由于傳統(tǒng)的數(shù)控車床，大多采用MCS--51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及繼電線路，這種控制方式由于存在繼電器線路復(fù)雜，故障排除時(shí)間長，并存在：①單片機(jī)易受外部信號(hào)（特別是中高頻電源設(shè)備的干擾，穩(wěn)定性差）；②步進(jìn)電機(jī)由于是開環(huán)控制，加工精度離散性大，存在著累積誤差；③繼電線路存在著滯后現(xiàn)象。針對上述問題，在保證加工精度要求的前提下，充分利用現(xiàn)代控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的精確控制。下面就老式簡易數(shù)控車床改為精車機(jī)來淺談一下。
2、數(shù)控方案的組成
數(shù)控車床在加工工件時(shí)，首先由主軸夾緊工件，然后由主電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其次是車刀在X、Z平面內(nèi)作二維運(yùn)動(dòng)，其相對位置是由人機(jī)界面或計(jì)算機(jī)(NC)傳來的數(shù)字量（D或M），經(jīng)PLC后再由伺服驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)相應(yīng)的馬達(dá)作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，加工出所要求的形狀和精度。為使最大限度的節(jié)約成本，本機(jī)采用了FX2N-80MT PLC這種型號(hào)帶有2路獨(dú)立的高速脈沖輸出，同時(shí)他帶有很強(qiáng)的計(jì)算，診斷功能，便于機(jī)器的軌跡運(yùn)算和報(bào)警管理，同時(shí)為使車床能夠高效的加工切削工件，主軸采用了無級變速控制，另加一塊特殊功能模塊D/A（FX2n-20A），其主要硬件布置圖（1）
本機(jī)采用松下交流伺服驅(qū)動(dòng)器，其型號(hào)為MSMA15A/A為型號(hào)，其特點(diǎn)如下：
（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護(hù)和保養(yǎng)要求低。
（2） 定子繞組散熱比較方便。
⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。
⑷適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。
⑸同功率下有較小的體積和重量
一般車床要求工作精度為0.01mm，滾珠絲桿螺距為Pb=10mm，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為Pe=25000脈沖/轉(zhuǎn)，X軸Z軸的減速比為1/5，X軸Z軸的脈沖當(dāng)量為0.0008mm/脈沖，按照以上的設(shè)置機(jī)床完全能夠達(dá)到預(yù)置的目的。
主軸采用三菱變頻器FR-A500具有以下特點(diǎn)：
（1），與PLC通信方便。
（2），速度方式多，調(diào)速范圍廣，能夠滿足絕大部分工件的切削要求。
（3）控制方式簡易，外部接線少。
采用模擬器控制接口。其轉(zhuǎn)速由PC或(NC)上設(shè)置，通過PLC的特殊功能模塊（D/A），來控制主軸，以達(dá)到各種材料的最佳切削轉(zhuǎn)速。
3、PLC控制回路
3.1硬件方面
COM X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15
Fx2n-60MT
COM0 Y0 COM1 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14
注：Xo,X1：手搖脈沖發(fā)生器輸入；X2：主軸啟動(dòng)。X3：主軸停止；
X4：X軸零點(diǎn)；X5：步進(jìn)與自動(dòng)選擇；X6：程序結(jié)束；
X7：X軸前保護(hù)；
X10：X軸后保護(hù)；X11：Z軸前保護(hù)；X12：Z軸后保護(hù)；
X13：急停；X14：X軸零點(diǎn)；X15：Z軸零點(diǎn)；X16：油泵啟動(dòng);
x17：油泵停止。
COM0：至X軸伺服驅(qū)動(dòng)器公共端；COM1：至Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器公共端；
Y0：X軸伺服信號(hào)輸入；Y1：Z軸伺服信號(hào)輸入；Y2：主軸正轉(zhuǎn)；Y3：主軸反轉(zhuǎn)；Y4：油泵電機(jī)；Y5~Y14：其他輸出（輔助裝置）。
本文重點(diǎn)闡述伺服圓弧軌跡形成的PLC設(shè)計(jì)過程和主軸無級變速，對機(jī)床其他硬件軟件設(shè)計(jì)不再一一闡述。其部分PLC接線圖見上。
3.2相關(guān)程序設(shè)計(jì)與操作
車床顯示界面LCD采用松下人機(jī)界面，其操作界面運(yùn)用VC或松下專用編程語言進(jìn)行，其與PLC的通訊，通過RS232 422雙工位通信，負(fù)責(zé)把車刀的補(bǔ)償量，車削數(shù)據(jù)輸入和對不同工件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用等。并按事先編制好的錯(cuò)誤提示信息，對故障進(jìn)行提示輔助排除故障，并且對車刀的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，需要車削的形狀尺寸由LCD中的EEPROM通過RS232C口傳送到PLC的EEPROM中存儲(chǔ)。
PLC負(fù)責(zé)對外圍設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采樣，并根據(jù)采樣結(jié)果，對照工藝要求，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作過程，對于每一工件，每一把刀，分別編制不同的子程序，以便于現(xiàn)場的調(diào)試和程序維護(hù)、程序設(shè)計(jì)基本思路，系統(tǒng)的X軸和Z軸各有一個(gè)機(jī)械原點(diǎn)。程序初始化時(shí)，執(zhí)行一次回原點(diǎn)，然后根據(jù)第二次調(diào)試的數(shù)據(jù)設(shè)定電氣原點(diǎn)，根據(jù)機(jī)械的正反轉(zhuǎn)間隙補(bǔ)償量，按照給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)，完成工件的切削，因車床的許多程序都采用模塊化設(shè)計(jì)。其加工程序圖如下圖
圖3
為了更好的說明，下面就車削中經(jīng)常用到，又具有典型加工的圓弧加工系統(tǒng)作詳細(xì)的介紹。
3.3梯形圖
見附圖
3.4程序解釋
在上面的程序中，Do圓弧起點(diǎn)X軸坐標(biāo)（Xo），D2圓弧終點(diǎn)X軸坐標(biāo)（Xe），D4 X方向長度（Xe－Xo） D6 X動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)，D10圓弧起點(diǎn)Y軸坐標(biāo)（Yo），D12圓弧終點(diǎn)Y軸坐標(biāo)，D14 Y方向長度（Ye－Yo），D16 Y動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)。上述程序用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，是根據(jù)動(dòng)點(diǎn)偏離，圓弧的位置（即偏差）來確定動(dòng)點(diǎn)的走向，走一步，算一步，逐點(diǎn)比較，使其不離開曲線左右，跟蹤圓弧軌跡達(dá)到要求的終點(diǎn)。其中在上述程序中MRO為伺服允許動(dòng)作條件。伺服系統(tǒng)子程序首先判別是否起點(diǎn)和終點(diǎn)相符合，若沒有達(dá)到終點(diǎn)，則繼續(xù)判斷，來決定X、Z方向伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，其中時(shí)間為決點(diǎn)，伺服運(yùn)動(dòng)的慢快。當(dāng)一個(gè)行程工作完成后，程序跳回到圓弧加工的起始位置，對D0~D30中的數(shù)據(jù)清零。
4．結(jié)束語：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC功能也不斷增強(qiáng)，可靠性不斷提高，在舊設(shè)備技術(shù)更新上應(yīng)用越來越廣泛。
再者，PLC性價(jià)比較高，使用方便，編程容易，適用于惡劣工作環(huán)境中，對大部分舊設(shè)備的技改是可行的。
參考文獻(xiàn)
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⑶SR－20／21／22 用戶手冊 中外合資華光電子有限公司
（4）變頻器應(yīng)用手冊 吳忠智 吳加林編著 機(jī)械工業(yè)出版社
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
