PLC在数控车床中的应用

杨贞静

摘要： 如今，可编程控制器广泛应用于数控机床等工业控制中。作者主要介绍了可编程控制器的工作原理、控制系统方案可编程序控制器选型，并以本院的CK160数控车床为例说明其应用。

关键词： 可编程控制器数控机床应用

如今，可编程控制器（PLC）广泛应用于数控机床等工业控制中。数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分，数字控制部分包括对各坐标轴位置的连续控制，而顺序控制包括对主轴正/反转和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作的控制。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，但价格很昂贵，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。现代数控机床采用PLC代替继电器控制来完成逻辑控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。

现以CK160为例，说明PLC在数控机床上的应用。

一、车床的PLC数控系统控制原理设计车床的操作要求

1.车床一般加工回转表面、螺纹等。要求其动作一般是X、Z向快进、工进、快退。加工过程中能进行自动、手动、车外圆与车螺纹等转换，并且能进行中步操作。

2.PLC数控系统需解决的问题。车床的操作过程比较复杂，而PLC一般只适用于动作的顺序控制。要将PLC用于控制车床动作，必须解决三个问题：

（1）如何产生驱动伺服机构的信号及X、Z向动作的协调；

（2）如何改变进给系统速度；

（3）车螺纹如何实现内联系传动及螺纹导程的变化。

将PLC及其控制模块和相应的执行元件组合，这些问题是可以解决的。

二、数控系统的控制原理

普通车床数控化改造工作就是将刀架、X、Z向进给改为数控控制。根据改造特点，伺服元件采用步进电机，实行开环控制系统就能满足要求。Z向脉冲当量取0.01mm，X向脉冲当量取0.005mm。选用晶体管输出型的PLC驱动步进电机脉冲信号由编程产生，通过程序产生不同频率脉冲实现变速。X、Z向动作可通过输入手动操作或程序自动控制。车螺纹的脉冲信号由主轴脉冲发生器产生，通过与门电路接入PLC输入端，经PLC程序变频得到所需导程的脉冲。刀架转位、车刀进、退可由手动或自动程序控制。

三、控制系统的设计方案

1.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1/50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。

2.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，那么功能指令就像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—9十个位置，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，则可以用多片BCD码拨盘并联使用。

我选用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。

四、可编程序控制器选型

根据D-U3710组合机床动作循环图、技术特性，确定采用东芝EX系列可编程控制器。东芝EX系列可编程控制器与其他类型的可编程控制器相比，体积小，耗电量小，装置时间短，耐大电流冲击，可靠性极高，尤其是采用与众不同的图形液晶读/写程序编写器，可以在其显示器上监视程序的编排、修改，一目了然，非常直观。通过系统分析，D-3701组合机床的输入点为24个、输出点为19个，所以选用东芝EX系列可编程控制器的基本单元EX-40H+扩展单元EX20来完成。EX-40H+EX20的输入点为36个、输出点24个，大于系统所确定的I/O数，为此使用EX-40H+EX20是可行的。

五、结语

本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统控制功能的方法能满足控制要求，控制系统方案、可编程序控制器选型及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，性能价格比良好等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于企业的相关机床改造。