PLC在数控车床系统点位控制中的应用
一、 引言
数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，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，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。
实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。
由于可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计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、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。
二、控制系统研制中需要认识与解决的若干问题
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。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。
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，其转速必然很低。而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。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟刀具或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如果定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。
为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。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需要认真考虑并切实加以解决的问题。
可变控制参数的在线修改
PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。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；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单独设计数码输入显示电路，这又将极大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
其他问题
为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单独设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。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。
三、控制系统方案
将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
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划分为两个阶段：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。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走完全程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。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)，因此并不会影响到定位速度。
为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动刀具或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入
目前较为先进的PLC不仅具有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。如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9+个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。
笔者选用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。
“软件编码、硬件解码”
为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
PLC外部元件故障的自动检测
由于PLC具有极高的可靠性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此迅速判断出故障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。
四、控制系统的软硬件结构
软件结构
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。
由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器(C660/C661)，而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量精确定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。
五、结束语
系统试验表明，本文提出的应用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，在实际运行中是切实可行的。所研制的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显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。
数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的，目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，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，机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。
实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。
由于可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计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、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。
二、控制系统研制中需要认识与解决的若干问题
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。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。
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，其转速必然很低。而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。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟刀具或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如果定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。
为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。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需要认真考虑并切实加以解决的问题。
可变控制参数的在线修改
PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。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；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单独设计数码输入显示电路，这又将极大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
其他问题
为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单独设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。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。
三、控制系统方案
将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
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划分为两个阶段：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。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走完全程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。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)，因此并不会影响到定位速度。
为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动刀具或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入
目前较为先进的PLC不仅具有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。如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9+个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。
笔者选用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。
“软件编码、硬件解码”
为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
PLC外部元件故障的自动检测
由于PLC具有极高的可靠性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此迅速判断出故障原因。为节省篇幅，此项内容的程序设计思路见参考文献。
四、控制系统的软硬件结构
软件结构
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。
由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器(C660/C661)，而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量精确定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。
五、结束语
系统试验表明，本文提出的应用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，在实际运行中是切实可行的。所研制的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显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。
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