PLC在數(shù)控系統(tǒng)點位控制中的應用

　　一、 引言

　　數(shù)控技術是綜合應用了電子技術、計算技術、自動控制與自動檢測等現(xiàn)代科學技術成就而發(fā)展起來的，目前在許多領域尤其是在機械加工行業(yè)中的應用日益廣泛。

　　數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在機械加工時，數(shù)控系統(tǒng)的點位控制一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的數(shù)控機床），其特點是，機床移動部件能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動，即準確控制移動部件的終點位置，但并不考慮其運動軌跡，在移動過程中刀具不切削工件。

　　實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制的通常方法可以有兩種：一是采用全功能的數(shù)控裝置，這種裝置功能十分完善，但其價格卻很昂貴，而且許多功能對點位控制來說是多余的；二是采用單板機或單片機控制，這種方法除了要進行軟件開發(fā)外，還要設計硬件電路、接口電路、驅動電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。

　　由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種工業(yè)控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性極高、體積小、是實現(xiàn)機電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點，因此通過實踐與深入研究，本文提出了利用PLC控制步進電機實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點位控制功能的有關見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)研制中需要認識與解決的若干問題，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結構的設計思路，對于工礦企業(yè)實現(xiàn)相關機床改造具有較高的應用與參考價值。

　　二、控制系統(tǒng)研制中需要認識與解決的若干問題

　　1. 防止步進電機運行時出現(xiàn)失步和誤差
　　步進電機是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件，在數(shù)控系統(tǒng)的點位控制中，可利用步進電機作為驅動電機。在開環(huán)控制中，步進電機由一定頻率的脈沖控制。由PLC直接產生脈沖來控制步進電機可以有效地簡化系統(tǒng)的硬件電路，進一步提高可靠性。由于PLC是以循環(huán)掃描方式工作，其掃描周期一般在幾毫秒至幾十毫秒之間，因此受到PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作。例如，若控制步進電機的脈沖頻率為4000HZ，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數(shù)量級就比掃描周期小很多，如采用此頻率來控制步進電機。則PLC在還未完成輸出刷新任務時就已經發(fā)出許多個控制脈沖，但步進電機仍一動不動，出現(xiàn)了嚴重的失步現(xiàn)象。若控制步進電機的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為10毫秒，與PLC的掃描周期約處于同一數(shù)量級，步進電機運行時亦可能會產生較大的誤差。因此用PLC驅動步進電機時，為防止步進電機運行時出現(xiàn)失步與誤差，步進電機應在低頻下運行，脈沖信號頻率選為十至幾十赫茲左右，這可以利用程序設計加以實現(xiàn)。

　　2. 保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾
　　步進電機的轉速與其控制脈沖的頻率成正比，當步進電機在極低頻下運行時，其轉速必然很低。而為了保證系統(tǒng)的定位精度，脈沖當量即步進電機轉一個步距角時刀具或工作臺移動的距離又不能太大，這兩個因素合在一起帶來了一個突出問題：定位時間太長。例如若步進電機的工作頻率為20HZ，即50ms走一步，取脈沖當量為δ＝0.01mm/步，則1秒鐘刀具或工作臺移動的距離為20x0.01＝0.2mm，1分鐘移動的距離為60x0.2＝12mm，如果定位距離為120mm，則定位時間需要10分鐘，如此慢的定位速度在實際運行中是難以忍受的。

　　為了保證定位精度，脈沖當量不能太大，但卻影響了定位速度。因此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。

　　3. 可變控制參數(shù)的在線修改
　　PLC應用于點位控制時，用戶顯然希望當現(xiàn)場條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)能作相應的修改，例如步進電機步數(shù)的改變，速度的調整等。為滿足生產的連續(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；雖然利用PLC的輸入按鍵并配合軟件設計也能實現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改，但由于PLC沒有提供數(shù)碼顯示單元，因此需要為此單獨設計數(shù)碼輸入顯示電路，這又將極大地占用PLC的輸入點，導致硬件成本增加，而且操作不便，數(shù)據(jù)輸入速度慢。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。

　　4. 其他問題
　　為了實現(xiàn)點位控制過程中數(shù)字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求，另外還得單獨設計PLC的數(shù)碼輸出顯示電路。由于目前PLC I/O點的價格仍較高，因此應著重考慮選用能壓縮顯示輸出點的合適方法。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。

　　三、控制系統(tǒng)方案

　　1. 將定位過程劃分為脈沖當量不同的兩個階段
　　要獲得高的定位速度，同時又要保證定位精度，可以把整個定位過程劃分為兩個階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個階段均采用相同頻率的脈沖控制步進電機，但采用不同的脈沖當量。粗定位階段：由于在點位過程中，刀具不切削工件，因此在這一階段，可采用較大的脈沖當量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步進電機控制脈沖頻率為20HZ，脈沖當量為0.1mm/步，定位距離為120mm，則走完全程所需時間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求。精定位階段：當使用較大的脈沖當量使刀具或工作臺快速移動至接近定位點時，（即完成粗定位階段），為了保證定位精度，再換用較小的脈沖當量進入精定位階段，讓刀具或工作臺慢慢趨近于定位點，例如取脈沖當量為0.01mm/步。盡管脈沖當量變小，但由于精定位行程很短（可定為全行程的五十分之一左右），因此并不會影響到定位速度。