一菜职、引 言

　　數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)邦鲫、計(jì)算技術(shù)例获、自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測(cè)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就而發(fā)展起來(lái)的低矮，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛印叁。

　　數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)商佛、連續(xù)控制系統(tǒng)喉钢。在機(jī)械加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孔加工機(jī)床上（例如鉆孔良姆、鉸孔肠虽、鏜孔的數(shù)控機(jī)床），其特點(diǎn)是玛追，機(jī)床移動(dòng)部件能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)税课，即準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡痊剖，在移動(dòng)過(guò)程中刀具不切削工件韩玩。

　　實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)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陆馁，但其價(jià)格卻很昂貴找颓，而且許多功能對(duì)點(diǎn)位控制來(lái)說(shuō)是多余的；二是采用單板機(jī)或單片機(jī)控制励砸，這種方法除了要進(jìn)行軟件開發(fā)外狱诊，還要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路招蓝、驅(qū)動(dòng)電路件策，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的抗干擾問(wèn)題。

　　由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)翅拜，具有抗干擾能力強(qiáng)巩樟、可靠性極高、體積小瘫啦、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點(diǎn)艰捶，因此通過(guò)實(shí)踐與深入研究，本文提出了利用V80系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干問(wèn)題环起，給出了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路荡明，對(duì)于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值。

　　二娘扩、控制系統(tǒng)研制中需要認(rèn)識(shí)與解決的若干問(wèn)題

　　1. 防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步和誤差

　　步進(jìn)電機(jī)是一種性能良好的數(shù)字化執(zhí)行元件着茸，在數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制中，可利用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)琐旁。在開環(huán)控制中涮阔，步進(jìn)電機(jī)由一定頻率的脈沖控制。由V80系列PLC直接產(chǎn)生脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)可以有效地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件電路灰殴，進(jìn)一步提高可靠性敬特。由于V80系列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牺陶，因此受到V80系列PLC工作方式的限制以及掃描周期的影響伟阔，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作。例如掰伸，若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為4000HZ皱炉，則脈沖周期為0.25毫秒，這樣脈沖周期的數(shù)量級(jí)就比掃描周期小很多狮鸭，如采用此頻率來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)合搅。則V80系列PLC在還未完成輸出刷新任務(wù)時(shí)就已經(jīng)發(fā)出許多個(gè)控制脈沖，但步進(jìn)電機(jī)仍一動(dòng)不動(dòng)歧蕉，出現(xiàn)了嚴(yán)重的失步現(xiàn)象画了。若控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率為100HZ，則脈沖周期為10毫秒吼季，與V80系列PLC的掃描周期約處于同一數(shù)量級(jí)嫌或，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)亦可能會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此用V80系列PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)误反，為防止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失步與誤差喝灌，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)在低頻下運(yùn)行，脈沖信號(hào)頻率選為十至幾十赫茲左右熊倡，這可以利用程序設(shè)計(jì)加以實(shí)現(xiàn)。

　　2. 保證定位精度與提高定位速度之間的矛盾

　　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其控制脈沖的頻率成正比憾牵，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在極低頻下運(yùn)行時(shí)讳帆，其轉(zhuǎn)速必然很低。而為了保證系統(tǒng)的定位精度印脓，脈沖當(dāng)量即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一個(gè)步距角時(shí)刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的距離又不能太大置狠，這兩個(gè)因素合在一起帶來(lái)了一個(gè)突出問(wèn)題：定位時(shí)間太長(zhǎng)。例如若步進(jìn)電機(jī)的工作頻率為20HZ崇磁，即50ms走一步黄鳍，取脈沖當(dāng)量為δ＝0.01mm/步推姻，則1秒鐘刀具或工作臺(tái)移動(dòng)的距離為20x0.01＝0.2mm，1分鐘移動(dòng)的距離為60x0.2＝12mm框沟，如果定位距離為120mm藏古，則定位時(shí)間需要10分鐘，如此慢的定位速度在實(shí)際運(yùn)行中是難以忍受的忍燥。

　　為了保證定位精度拧晕，脈沖當(dāng)量不能太大，但卻影響了定位速度梅垄。因此如何既能提高定位速度厂捞，同時(shí)又能保證定位精度是一項(xiàng)需要認(rèn)真考慮并切實(shí)加以解決的問(wèn)題。

　　3. 可變控制參數(shù)的在線修改

　　V80系列PLC應(yīng)用于點(diǎn)位控制時(shí)队丝，用戶顯然希望當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)靡馁，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)能作相應(yīng)的修改，例如步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的改變机久，速度的調(diào)整等臭墨。為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，要求對(duì)控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行蕴莉。盡管使用編程器可以方便快速地改變?cè)O(shè)定參數(shù)翰蛔，但編程器一般不能交現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用；雖然利用V80系列PLC的輸入按鍵并配合軟件設(shè)計(jì)也能實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改仓突，但由于PLC沒(méi)有提供數(shù)碼顯示單元痰汰，因此需要為此單獨(dú)設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路，這又將極大地占用V80系列PLC的輸入點(diǎn)绊削，導(dǎo)致硬件成本增加凑戏，而且操作不便，數(shù)據(jù)輸入速度慢制棉。所以裆机，應(yīng)考慮開發(fā)其他簡(jiǎn)便有效的方法實(shí)現(xiàn)V80系列PLC的可變控制參數(shù)的在線修改。

　　4. 其他問(wèn)題

　　為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制過(guò)程中數(shù)字變化的顯示及故障輸出代碼的顯示等要求诸晃，另外還得單獨(dú)設(shè)計(jì)V80系列PLC的數(shù)碼輸出顯示電路狼憋。由于目前PLC I/O點(diǎn)的價(jià)格仍較高，因此應(yīng)著重考慮選用能壓縮顯示輸出點(diǎn)的合適方法益命。此外奖瞳，為保證控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，還應(yīng)解決控制系統(tǒng)的安全保護(hù)問(wèn)題箕慧，如系統(tǒng)的行程保護(hù)服球、故障元件的自動(dòng)檢測(cè)等。

　　三、控制系統(tǒng)方案

　　1. 將定位過(guò)程劃分為脈沖當(dāng)量不同的兩個(gè)階段

　　要獲得高的定位速度斩熊，同時(shí)又要保證定位精度往枣，可以把整個(gè)定位過(guò)程劃分為兩個(gè)階段：粗定位階段和精定位階段。這兩個(gè)階段均采用相同頻率的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)粉渠，但采用不同的脈沖當(dāng)量分冈。粗定位階段：由于在點(diǎn)位過(guò)程中，刀具不切削工件渣叛，因此在這一階段丈秩，可采用較大的脈沖當(dāng)量，如0.1mm/步或1mm/步淳衙，甚至更高蘑秽。例如步進(jìn)電機(jī)控制脈沖頻率為20HZ，脈沖當(dāng)量為0.1mm/步箫攀，定位距離為120mm肠牲，則走完全程所需時(shí)間為1分鐘，這樣為速度顯然已能滿足要求筷穿。精定位階段：當(dāng)使用較大的脈沖當(dāng)量使刀具或工作臺(tái)快速移動(dòng)至接近定位點(diǎn)時(shí)厌棵，（即完成粗定位階段），為了保證定位精度牧赚，再換用較小的脈沖當(dāng)量進(jìn)入精定位階段醇票，讓刀具或工作臺(tái)慢慢趨近于定位點(diǎn)，例如取脈沖當(dāng)量為0.01mm/步淆膏。盡管脈沖當(dāng)量變小速郑，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(huì)影響到定位速度肴士。

　　為了實(shí)現(xiàn)上述目的溃皮，在機(jī)械方面，應(yīng)采用兩套變速機(jī)構(gòu)丸臀。在粗定位階段熬皮，由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)刀具或工作臺(tái)傳動(dòng)，在精定位階段吉恍，則采用降速傳動(dòng)幽七。這兩套變速機(jī)構(gòu)使用哪一套，由電磁離合器控制溅呢。

　　2. 應(yīng)用功能指令實(shí)現(xiàn)BCD碼撥盤數(shù)據(jù)輸入

　　目前較為先進(jìn)的V80系列PLC不僅具有滿足順序控制要求的基本邏輯指令澡屡，而且還提供了豐富的功能指令。如果說(shuō)基本邏輯指令是對(duì)繼電器控制原理的一種抽象提高的話藕届，那么功能指令就象是對(duì)匯編語(yǔ)言的一種抽象提高挪蹭。BCD碼數(shù)據(jù)撥盤是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常用到的十進(jìn)制撥盤數(shù)據(jù)輸入裝置。撥盤共有0~9+個(gè)位置休偶，每一位置都有相應(yīng)的數(shù)字指示梁厉。一個(gè)撥盤可代表一位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，若需輸入多位數(shù)據(jù)踏兜，可以用多片BCD碼撥盤并聯(lián)使用词顾。

　　筆者選用BCD碼撥盤裝置應(yīng)用于V80系列PLC控制的系統(tǒng)，這樣無(wú)需再設(shè)計(jì)數(shù)碼輸入顯示電路碱妆，有效地節(jié)省了V80系列PLC的輸入點(diǎn)肉盹，簡(jiǎn)化了硬件電路，并利用先進(jìn)的功能指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸疹尾，因此能極方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線輸入或修改（如計(jì)數(shù)器設(shè)定值的修改等）纺榨，若配合簡(jiǎn)單的硬件譯碼電路，就可顯示有關(guān)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化（如電機(jī)步數(shù)的遞減變化等）宽酣。為避免在系統(tǒng)運(yùn)行中撥動(dòng)撥盤可能給系統(tǒng)造成的波動(dòng)彰怒，最好設(shè)置一輸入鍵，當(dāng)確認(rèn)各片撥盤都撥到位后再按該鍵优麻，這時(shí)數(shù)據(jù)才被V80系列PLC讀入并處理凶健。

　　3. “軟件編碼、硬件解碼”

　　為滿足壓縮輸出點(diǎn)這一前提條件胯绢，采用“軟件編碼添祈、硬件解碼”的方法設(shè)計(jì)V80系列PLC的數(shù)碼輸出顯示電路。例如瓦式，對(duì)于9種及其以下的故障狀態(tài)顯示恒猴，可采用8-4軟件編碼，4-8硬件解碼砰普，使顯示故障的輸出點(diǎn)壓縮為4個(gè)谁媳，硬件電路包含74LS04、74LS48狗准、共陰數(shù)碼管等器件克锣。

　　4. PLC外部元件故障的自動(dòng)檢測(cè)

　　由于PLC具有極高的可靠性，因此V80系列PLC控制系統(tǒng)中絕大部分的故障不是來(lái)自PLC本身腔长，而是由于外部元件故障引起的袭祟，例如常見的按鈕或行程開關(guān)觸點(diǎn)的熔焊及氧化就分別對(duì)應(yīng)著短路故障及開路故障。系統(tǒng)一旦自動(dòng)檢測(cè)到元件故障捞附，應(yīng)不僅具有聲光報(bào)警功能巾乳，而且能立即顯示故障代碼，以便用戶據(jù)此迅速判斷出故障原因鸟召。

　　四胆绊、控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求而設(shè)計(jì)氨鹏，主要?jiǎng)澐譃槲宕竽K：即步進(jìn)電機(jī)控制模塊、定位控制模塊压状、數(shù)據(jù)撥盤輸入及數(shù)據(jù)傳輸模塊仆抵、數(shù)碼輸出顯示模塊、元件故障的自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警模塊种冬。

　　由于整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)較為龐大镣丑，脈沖控制器產(chǎn)生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位兢努，提供六拍時(shí)序脈沖漂岔，通過(guò)三相六拍環(huán)形分配器使三個(gè)輸出繼電器Y430、Y431贞卜、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進(jìn)電機(jī)辰想。為實(shí)現(xiàn)定位控制，采用不同的計(jì)數(shù)器分別控制粗定位行程和精定位行程爹嘁，計(jì)數(shù)器的設(shè)定值依據(jù)行程而定绞宿。例如，設(shè)刀具或工作臺(tái)欲從A點(diǎn)移至C點(diǎn)鹉灼，已知AC＝200mm鞋伸，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm敏困，BC＝4mm艰欲，AB段為粗定位行程，采用0.1mm/步的脈沖當(dāng)量快速移動(dòng)莽浴，利用了6位計(jì)數(shù)器（C660/C661）破罐，而BC段為精定位行程，采用0.01mm/步的脈沖當(dāng)量精確定位橱鹏，利用了3位計(jì)數(shù)器C460膜蠢，在粗定位結(jié)束進(jìn)入精定位的同時(shí)，PLC自動(dòng)接通電磁離合器輸出點(diǎn)Y433以實(shí)現(xiàn)變速機(jī)構(gòu)的更換莉兰。

　　五挑围、結(jié)束語(yǔ)

　　系統(tǒng)試驗(yàn)表明，本文提出的應(yīng)用V80系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的方法能滿足控制要求糖荒，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的杉辙。所研制的控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用捶朵、可靠性高蜘矢、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)综看，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于工礦企業(yè)的相關(guān)機(jī)床改造品腹。

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