摘要：提出了PLC與伺服系統在數控車床的模擬量、數字量控制和位置控制中的綜合應用，介紹了三菱公司FX2N系列PLC在數控車床中的應用前景，對車床的運動軌跡進行了討論，詳細闡述了機床控制系統軟硬件設計，使機床在加工中精度得以保證。
關鍵詞：PLC 伺服系統 運動軌跡 精度
1、引言
近年來，PLC在工業自動控制領域應用越來越廣，它在控制性能，組機周期和硬件成本等方面所表現出的•綜合優勢是其他工控產品難以比擬的。隨著PLC技術的發展，它在位置控制，過程控制，數據處理等方面的應用越來越多。
數控技術和數控裝備是制造工業現代化的重要基礎，這個基礎是否牢固直接影響到一個國家的經濟發展和綜合國力，關系到一個國家的戰略地位，因此，世界各工業發達國家均采取各種措施來改進和完善自己的數控技術及其產業。作為制造業中最具廣泛代表性的車床，越來越被人們所重視，由于傳統的數控車床，大多采用MCS--51單片機、步進電機及繼電線路，這種控制方式由于存在繼電器線路復雜，故障排除時間長，并存在：①單片機易受外部信號（特別是中高頻電源設備的干擾，穩定性差）；②步進電機由于是開環控制，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，充分利用現代控制技術來實現數控車床的精確控制。下面就老式簡易數控車床改為精車機來淺談一下。
2、數控方案的組成
數控車床在加工工件時，首先由主軸夾緊工件，然后由主電機驅動旋轉，其次是車刀在X、Z平面內作二維運動，其相對位置是由人機界面或計算機(NC)傳來的數字量（D或M），經PLC后再由伺服驅動器帶動相應的馬達作相應的運動，加工出所要求的形狀和精度。為使最大限度的節約成本，本機采用了FX2N-80MT PLC這種型號帶有2路獨立的高速脈沖輸出，同時他帶有很強的計算，診斷功能，便于機器的軌跡運算和報警管理，同時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）
本機采用松下交流伺服驅動器，其型號為MSMA15A/A為型號，其特點如下：
（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養要求低。
（2） 定子繞組散熱比較方便。
⑶慣量小，易于提高系統的快速性。
⑷適應于高速大力矩工作狀態。
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，伺服電機旋轉編碼器分辨率為Pe=25000脈沖/轉，X軸Z軸的減速比為1/5，X軸Z軸的脈沖當量為0.0008mm/脈沖，按照以上的設置機床完全能夠達到預置的目的。
主軸采用三菱變頻器FR-A500具有以下特點：
（1），與PLC通信方便。
（2），速度方式多，調速范圍廣，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。其轉速由PC或(NC)上設置，通過PLC的特殊功能模塊（D/A），來控制主軸，以達到各種材料的最佳切削轉速。
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：手搖脈沖發生器輸入；X2：主軸啟動。X3：主軸停止；
X4：X軸零點；X5：步進與自動選擇；X6：程序結束；
X7：X軸前保護；
X10：X軸后保護；X11：Z軸前保護；X12：Z軸后保護；
X13：急停；X14：X軸零點；X15：Z軸零點；X16：油泵啟動;
x17：油泵停止。
COM0：至X軸伺服驅動器公共端；COM1：至Z軸伺服驅動器公共端；
Y0：X軸伺服信號輸入；Y1：Z軸伺服信號輸入；Y2：主軸正轉；Y3：主軸反轉；Y4：油泵電機；Y5~Y14：其他輸出（輔助裝置）。
本文重點闡述伺服圓弧軌跡形成的PLC設計過程和主軸無級變速，對機床其他硬件軟件設計不再一一闡述。其部分PLC接線圖見上。
3.2相關程序設計與操作
車床顯示界面LCD采用松下人機界面，其操作界面運用VC或松下專用編程語言進行，其與PLC的通訊，通過RS232 422雙工位通信，負責把車刀的補償量，車削數據輸入和對不同工件的數據存儲、調用等。并按事先編制好的錯誤提示信息，對故障進行提示輔助排除故障，并且對車刀的運動軌跡進行仿真，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。
PLC負責對外圍設備狀態進行采樣，并根據采樣結果，對照工藝要求，執行相應的動作過程，對于每一工件，每一把刀，分別編制不同的子程序，以便于現場的調試和程序維護、程序設計基本思路，系統的X軸和Z軸各有一個機械原點。程序初始化時，執行一次回原點，然后根據第二次調試的數據設定電氣原點，根據機械的正反轉間隙補償量，按照給定的數據進行軌跡運動，完成工件的切削，因車床的許多程序都采用模塊化設計。其加工程序圖如下圖
圖3
為了更好的說明，下面就車削中經常用到，又具有典型加工的圓弧加工系統作詳細的介紹。
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X軸坐標（Xo），D2圓弧終點X軸坐標（Xe），D4 X方向長度（Xe－Xo） D6 X動點坐標，D10圓弧起點Y軸坐標（Yo），D12圓弧終點Y軸坐標，D14 Y方向長度（Ye－Yo），D16 Y動點坐標。上述程序用逐點比較法進行圓弧插補，是根據動點偏離，圓弧的位置（即偏差）來確定動點的走向，走一步，算一步，逐點比較，使其不離開曲線左右，跟蹤圓弧軌跡達到要求的終點。其中在上述程序中MRO為伺服允許動作條件。伺服系統子程序首先判別是否起點和終點相符合，若沒有達到終點，則繼續判斷，來決定X、Z方向伺服電機運動，其中時間為決點，伺服運動的慢快。當一個行程工作完成后，程序跳回到圓弧加工的起始位置，對D0~D30中的數據清零。
4．結束語：
隨著計算機技術的發展，PLC功能也不斷增強，可靠性不斷提高，在舊設備技術更新上應用越來越廣泛。
再者，PLC性價比較高，使用方便，編程容易，適用于惡劣工作環境中，對大部分舊設備的技改是可行的。
參考文獻
⑴高級維修電工 上海職業技術培訓教研室
⑵可編程序控制器應用指南 易傳祿、韓希堯 編著
⑶SR－20／21／22 用戶手冊 中外合資華光電子有限公司
（4）變頻器應用手冊 吳忠智 吳加林編著 機械工業出版社
滬公網安備31010802001143號
