可编程序控制器PLC在机床数控系统中应用

1、近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来 愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本 等方面所表现出的综合优势是其它工控产 品难以比拟的。随着PLC技术的发展，它在 位置控制、过程控制、数据处理等方面的应 用也越来越多。在机床的实际设计和生产过 程中，为了提高数控机床加工的精度，对其 定位控制装置的选择就显得尤为重要。永宏FBs系列PLC的NC定位功能较其它PLC 更精准，且程序的设计和调试相当方便。本 文提出的是如何应用永宏 PLC的NC定位 控制实现机床数控系统控制功能的方法来 满足控制要求，在实际运行中是切实可行 的。整机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

2、 强，具有良好的性能价格比等显著优点，其 软硬件的设计思路可供工矿企业的相关数 控机床设计改造借鉴。数控机床由输入、输出装置、数控装置、 可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和 机床主机等组成，输入装置可将不同加工信息传递于计算机。在数控机床产生的初期，输入装置为 穿孔纸带，现已趋于淘汰；目前，使用键盘、 磁盘等，大大方便了信息输入工作。输出指 输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状 态下的原始参数，故障诊断参数等），一般在 机床刚工作状态需输出这些参数作记录保 存，待工作一段时间后，再将输出与原始资 料作比较、对照，可帮助判断机床工作是否 维持正常。数控装置是数控机床的核心与主 导，完成所

3、有加工数据的处理、计算工作， 最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接口电路、CRT显 示器等硬件及相应的软件。 可编程控制器对 主轴单元实现控制，将程序中的转速指令进 行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动 刀具交换、选刀方式、刀具累计使用次数、 刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和停止、准停、切削液开关、卡 盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床 外部开关（行程开关、压力开关、温控开关等） 进行控制；对输出信号（刀库、机械手、回转 工作台等）进行控制。检测反馈装置由检测元 件和相应的电路组成， 主要是检测速度和位 移，并将信息反馈于数控装置，实现闭环

4、控 制以保证数控机床加工精度。数控加工的准备过程较复杂，内容多， 含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案 的制订、加工程序编制、选用工装及使用方 法等。机床的调整主要包括刀具命名、调入 刀库、工件安装、对刀、测量刀位、机床各 部位状态等多项工作内容。程序调试主要是 对程序本身的逻辑问题及其设计合理性进 行检查和调整。试切加工则是对零件加工设 计方案进行动态下的考察，而整个过程均需 在前一步实现后的结果评价后再作后一步 工作。试切成功后方可对零件进行正式加 工，并对加工后的零件进行结果检测。前三 步工作均为待机时间，为提高工作效率，希 望待机时间越短越好，越有利于机床合理使 用。该项指标直接影响

5、对机床利用率的评价 （即机床实动率）。机床是由机械和电气两部分组成， 在设 计总体方案时应从机电两方面来考虑机床 各种功能的实施方案，数控机床的机械要求 和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电 沟通，扬长避短。机床控制系统选件、装配、 程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳 定性都必须满足使用要求。 同时为便于调试 和检修，各项操作均设手动功能，如手动各 轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润 滑开关等。PLC按照逻辑条件进行顺序动作 或按照时序动作，另外还有与顺序、时序无 关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控 制，PLC发展成了取代继电器线路和进行顺 序控制的主要产品，在机床的电气控制中应

6、用也比较普遍。在实际控制中如何既能提高定位速度， 同时又能保证定位精度是一项需要认真考 虑并切实加以解决的问题。 精度是机床必须 保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的 位置精度在很大程度上决定了数控机床的 加工精度。因此位置精度是一个极为重要的 指标。为了保证有足够的位置精度，一方面 是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来 的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常 起着决定性的作用。高精度的控制系统必须 有高精度的检测元件作为保证。当现场条件 发生变化时，系统的某些控制参数必须能作

7、相应的修改，为满足生产的连续性，要求对 控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参 数，但编程器一般不能交现场操作人员使用 ； 所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现 ELd的可变控制参数的在线修改。另外为了 防止电压过高损坏ELC ,电源输入端加上压 敏电阻。为了防止过热，PLC不许安装在 变 壁等发热元件的正上方， 变频器与PLC、 伺服驱动器等保持一定距离。在兀件间留有适当的空隙，以便散热，并且在配电箱上安 装风扇降温。此外，为保证控制系统的安全 与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护 问题，如系统的行程保护、故障元件的自动 检测等。数控机床是一种高精度、

8、高效率的自动 化设备，提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标 之一，其定义为：产品在规定条件下和规定时 向内，完成规定功能的概率。对数控机床来 说，这里的功能主要指数控机床的使用功 能，例如数控机床的各种机能，伺服性能等。 数控机床的功能部件对机床的功能扩展和 性能的提升起着极为重要的作用，因此，它 不同于一般配套件和附件的选用，不仅须与数控机床的整体结构谐和协调，融入整机系 统具有最佳的匹配性能，而且还能很好地彰 显出该数控机床的个性化特征。用于高速化的数控系统不能仅是提高数据处理能力，而是应具备热误差补偿单元以及能实现速度 前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳

9、控 制等先进控制技术的功能。所以必须选择稳 定可靠的控制单元才能保证数控机床正常 高效运行。可编程逻辑控制器是机床各项功能的 逻辑控制中心，集成于数控系统中，主要是 指控制软件的集成化，而 PLC硬件则在规 模较大的系统中往往采取分布式结构。系统控制中心采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控， 可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数 字交流伺服系统，各轴伺服叠!通过连轴器 带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作 台和主轴锐头，其定位准确，速度快。主轴 铢头由变频器控制,根据刀具及工件和进给 量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设 定它的启动停止。各轴均设二端极限

10、传感器 和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检 测，在报警灯和人机界面处显示报警信息由 光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实 际位置反馈信号，随时与给定值进行比较， 将两者的差值放大和变换，驱动执行机构， 以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于 零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给 系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。 设计和调试都比开环系统难。 但是可以获得 比开环进给系统更高的精度，更快的速度， 驱动功率更大的特性指标。早期使用一般虫 机作为定位控制，由于速度不快、或者精度 要求不高，所以足够应对所需场合；当机械运转为了获取效率而将速度加快时，当产品

11、质 量、精度要求越来越高时，电机停止位置的 控制就不是一般 电机所能达到的了。解决这 一问题的最佳方法是采用 NC定位控制配合 步进或伺服电机作定位控制。PLC结合伺服 驱动器所构成的NC闭环回路控制系统中， PLC负责发送高谏脉冲命令给伺服驱动器. 除了装在伺服电机的位移检测信号直位反 馈到伺服驱动器外，外加位移检测器装在传 动机构之后，真正反映实际位移量，并将此 信号反馈到PLC内部的高速硬件计数器， 这样就可作更精确的控制，并且可避免上述 半闭环回路的缺点。数控机床对位置系统要求的伺服性能 包括:定位速度和轮廓切削进给速度；定位精 度和轮廓切削精度；精加工的表面粗糙度；在 外界干扰下的稳

12、定性。这些要求主要取决于 伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来 说，总希望系统有较高的动态精度，即当系 统有一个较小的位置误差时，机床移动部件 会迅速反应。在数控机床的加工中，伺服系 统为了同时满足高速快移和单步点动，要求 进给驱动具有足够宽的调速范围。单步点动作为一种辅助工作方式常常 在工作台的调整中使用。 伺服系统最高速度 的选择要考虑到机床的机械允许界限和实 际加工要求，高速度固然能提高生产率，但 对驱动要求也就更高。此外，从系统控制角 度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时 间是否足够。全闭环伺服系统是将位置检测 元件置于被测坐标轴的终端移动部件

13、上，以检测机械传动链中螺距误差、 间隙及各种干 扰所造成的传动误差，并进行反馈补偿控 制，从而提高机床的位置控制精度。在全闭 环伺服控制系统中，对位置检测元件和反馈 元件的选择很关键。感应同步器具有精度 高、重复性好、抗干扰能力强，耐油耐污及 维护简单等优点，特别适合于高精度全闭环 数控机床的工作场合。数控机床要求具备稳 定性、快速性和准确性，而大型数控机床的 机械传动装置转动惯量较大，固有频率低， 要使其大大高于系统截止频率很困难，全闭环包括了该进给系统轴几乎所有不稳定的 非线性因素，调整不当很容易使机床产生抖 动现象。因此数控机床全闭环伺服系统在保证 快速性的基础上主要是解决机床进给运动 的稳定性而获得比半闭环伺服系统高的位 置精度。伺服电机的编码器将位移检测信号 反馈到伺服驱动器，驱动器将输入信号的脉 冲频率和脉冲数与回馈信号的频率和脉冲 数，经内部的偏差计数器与频率转电压电路 处理后，得到脉冲偏差值与转速误差值，这 样使控制伺服电机实现高谏、精密的速度与 位置闭环回路处理系统。 伺服电机的转速与 输入信号的脉冲频率成正比，而电机的移动量则由脉冲数决定。PLC通过编程器输入程序,达到控制 目的。由于PL工作过程是循环，所以程 序执行速度很快。另外软件故障检测设计在 采用硬