4  永宏FBs系列PLC的NC機床定位伺服控制系統(tǒng)分析
  數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，提高數(shù)控機床的可靠性就顯得尤為重要。可靠度是評價可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能，例如數(shù)控機床的各種機能，伺服性能等。數(shù)控機床的功能部件對機床的功能擴展和性能的提升起著極為重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件的選用，不僅須與數(shù)控機床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)調(diào)，融入整機系統(tǒng)具有最佳的匹配性能，而且還能很好地彰顯出該數(shù)控機床的個性化特征。用于高速化的數(shù)控系統(tǒng)不能僅是提高數(shù)據(jù)處理能力，而是應(yīng)具備熱誤差補償單元以及能實現(xiàn)速度前瞻控制、位置環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn)控制等先進控制技術(shù)的功能。所以必須選擇穩(wěn)定可靠的控制單元才能保證數(shù)控機床正常高效運行。
  鑒于以上各項要求，筆者采用臺灣永宏電機股份有限公司的FBs-44MN PLC作為該機床控制主單元，該型機具有較高的性價比，體積小，使用起來非常方便，接線簡捷。其編程軟件WinProladder有梯形圖大師之稱，易學(xué)易用且功能強大，編輯、監(jiān)視、除錯等操作非常順手，按鍵、鼠標(biāo)并用及在線即時指令功能查詢與操作指引，使編輯、輸入效率倍增。同時配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設(shè)定以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機界面的內(nèi)容。該控制系統(tǒng)具有可靠性高，價格便宜，結(jié)構(gòu)緊湊等特點，非常適合機床的控制要求，具體控制思路如圖3所示。

圖3     采用永宏P(guān)LC FBs-44MN 的NC 機床定位電氣控制系統(tǒng)圖

  可編程邏輯控制器是該機床各項功能的邏輯控制中心，集成于數(shù)控系統(tǒng)中，主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出，系統(tǒng)控制中心采用永宏P(guān)LC FBs-44MN控制，并配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設(shè)定，以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機界面的內(nèi)容。三軸均為全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，各軸伺服電機通過連軸器帶動滾珠絲杠，以移動配有直線導(dǎo)軌的工作臺和主軸銑頭，其定位準確，速度快。主軸銑頭由變頻器控制，根據(jù)刀具及工件和進給量，來設(shè)置主軸合理的轉(zhuǎn)速，并在程序中設(shè)定它的啟動停止。各軸均設(shè)二端極限傳感器和原點傳感器，冷卻和潤滑也都有異常檢測，在報警燈和人機界面處顯示報警信息由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。早期使用一般電機作為定位控制，由于速度不快、或者精度要求不高，所以足夠應(yīng)對所需場合;當(dāng)機械運轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量、精度要求越來越高時，電機停止位置的控制就不是一般電機所能達到的了。解決這一問題的最佳方法是采用NC定位控制配合步進或伺服電機作定位控制。但在過去，由于它的價格很高，而限制了它使用的普遍性，近年來由于技術(shù)的發(fā)展及成本的降低，其價位已被用戶所接受，使用數(shù)量也越來越多。為配合這一趨勢，永宏P(guān)LC FBs系列將目前市面上專用的NC定位控制器功能整合在PLC內(nèi)部SoC芯片內(nèi)，除了免掉PLC與專用NC 定位控制器之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換與連結(jié)程序外，更大幅降低整體成本，為用戶提供一種價廉物美、簡單方便的PLC整合NC定位控制的方案。永宏P(guān)LC FBs-44MN內(nèi)部的SoC芯片含有多軸高速脈沖輸出以及高速硬件計數(shù)器，并且提供簡易使用和設(shè)計的定位程序編輯，對于這方面的應(yīng)用，更是如虎添翼、如魚得水、得心應(yīng)手了。PLC結(jié)合伺服驅(qū)動器所構(gòu)成的NC閉環(huán)回路控制系統(tǒng)中，PLC負責(zé)發(fā)送高速脈沖命令給伺服驅(qū)動器，除了裝在伺服電機的位移檢測信號直接反饋到伺服驅(qū)動器外，外加位移檢測器裝在傳動機構(gòu)之后，真正反映實際位移量，并將此信號反饋到PLC 內(nèi)部的高速硬件計數(shù)器，這樣就可作更精確的控制，并且可避免上述半閉環(huán)回路的缺點。永宏P(guān)LC FBs系列的定位功能將市面上專用NC定位控制器整合在PLC內(nèi)，使PLC與NC控制器能共享相同的數(shù)據(jù)區(qū)，而不需要作兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與同步控制等復(fù)雜的工作，但仍可用一般常用的NC 定位控制指令(例如DRV、SPD…等)。PLC控制4軸的定位工作，并可作多軸同動控制，除了提供點對點的定位速度控制，還提供了各軸間直線插補功能。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用超過4軸時還可利用永宏P(guān)LC的CPU bbbb功能達到更多的定位運動控制。數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括:定位速度和輪廓切削進給速度;定位精度和輪廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機床移動部件會迅速反應(yīng)。在數(shù)控機床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
  單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件置于被測坐標(biāo)軸的終端移動部件上，以檢測機械傳動鏈中螺距誤差、間隙及各種干擾所造成的傳動誤差，并進行反饋補償控制，從而提高機床的位置控制精度。在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對位置檢測元件和反饋元件的選擇很關(guān)鍵。感應(yīng)同步器具有精度高、重復(fù)性好、抗干擾能力強，耐油耐污及維護簡單等優(yōu)點，特別適合于高精度全閉環(huán)數(shù)控機床的工作場合。數(shù)控機床要求具備穩(wěn)定性、快速性和準確性，而大型數(shù)控機床的機械傳動裝置轉(zhuǎn)動慣量較大，固有頻率低，要使其大大高于系統(tǒng)截止頻率很困難，全閉環(huán)包括了該進給系統(tǒng)軸幾乎所有不穩(wěn)定的非線性因素，調(diào)整不當(dāng)很容易使機床產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。

4  永宏FBs系列PLC的NC機床定位伺服控制系統(tǒng)分析
  數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，提高數(shù)控機床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u價可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為:產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能，例如數(shù)控機床的各種機能，伺服性能等。數(shù)控機床的功能部件對機床的功能擴展和性能的提升起著極為重要的作用，因此，它不同于一般配套件和附件的選用，不僅須與數(shù)控機床的整體結(jié)構(gòu)諧和協(xié)調(diào)，融入整機系統(tǒng)具有最佳的匹配性能，而且還能很好地彰顯出該數(shù)控機床的個性化特征。用于高速化的數(shù)控系統(tǒng)不能僅是提高數(shù)據(jù)處理能力，而是應(yīng)具備熱誤差補償單元以及能實現(xiàn)速度前瞻控制、位置環(huán)前饋控制和加減速平穩(wěn)控制等先進控制技術(shù)的功能。所以必須選擇穩(wěn)定可靠的控制單元才能保證數(shù)控機床正常高效運行。
  鑒于以上各項要求，筆者采用臺灣永宏電機股份有限公司的FBs-44MN PLC作為該機床控制主單元，該型機具有較高的性價比，體積小，使用起來非常方便，接線簡捷。其編程軟件WinProladder有梯形圖大師之稱，易學(xué)易用且功能強大，編輯、監(jiān)視、除錯等操作非常順手，按鍵、鼠標(biāo)并用及在線即時指令功能查詢與操作指引，使編輯、輸入效率倍增。同時配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設(shè)定以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機界面的內(nèi)容。該控制系統(tǒng)具有可靠性高，價格便宜，結(jié)構(gòu)緊湊等特點，非常適合機床的控制要求，具體控制思路如圖3所示。

圖3     采用永宏P(guān)LC FBs-44MN 的NC 機床定位電氣控制系統(tǒng)圖

  可編程邏輯控制器是該機床各項功能的邏輯控制中心，集成于數(shù)控系統(tǒng)中，主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。由圖3可以看出，系統(tǒng)控制中心采用永宏P(guān)LC FBs-44MN控制，并配以人機界面進行程序參數(shù)修改、設(shè)定，以及運行狀態(tài)顯示監(jiān)控，可編程設(shè)置人機界面的內(nèi)容。三軸均為全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，各軸伺服電機通過連軸器帶動滾珠絲杠，以移動配有直線導(dǎo)軌的工作臺和主軸銑頭，其定位準確，速度快。主軸銑頭由變頻器控制，根據(jù)刀具及工件和進給量，來設(shè)置主軸合理的轉(zhuǎn)速，并在程序中設(shè)定它的啟動停止。各軸均設(shè)二端極限傳感器和原點傳感器，冷卻和潤滑也都有異常檢測，在報警燈和人機界面處顯示報警信息由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標(biāo)。早期使用一般電機作為定位控制，由于速度不快、或者精度要求不高，所以足夠應(yīng)對所需場合;當(dāng)機械運轉(zhuǎn)為了獲取效率而將速度加快時，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量、精度要求越來越高時，電機停止位置的控制就不是一般電機所能達到的了。解決這一問題的最佳方法是采用NC定位控制配合步進或伺服電機作定位控制。但在過去，由于它的價格很高，而限制了它使用的普遍性，近年來由于技術(shù)的發(fā)展及成本的降低，其價位已被用戶所接受，使用數(shù)量也越來越多。為配合這一趨勢，永宏P(guān)LC FBs系列將目前市面上專用的NC定位控制器功能整合在PLC內(nèi)部SoC芯片內(nèi)，除了免掉PLC與專用NC 定位控制器之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換與連結(jié)程序外，更大幅降低整體成本，為用戶提供一種價廉物美、簡單方便的PLC整合NC定位控制的方案。永宏P(guān)LC FBs-44MN內(nèi)部的SoC芯片含有多軸高速脈沖輸出以及高速硬件計數(shù)器，并且提供簡易使用和設(shè)計的定位程序編輯，對于這方面的應(yīng)用，更是如虎添翼、如魚得水、得心應(yīng)手了。PLC結(jié)合伺服驅(qū)動器所構(gòu)成的NC閉環(huán)回路控制系統(tǒng)中，PLC負責(zé)發(fā)送高速脈沖命令給伺服驅(qū)動器，除了裝在伺服電機的位移檢測信號直接反饋到伺服驅(qū)動器外，外加位移檢測器裝在傳動機構(gòu)之后，真正反映實際位移量，并將此信號反饋到PLC 內(nèi)部的高速硬件計數(shù)器，這樣就可作更精確的控制，并且可避免上述半閉環(huán)回路的缺點。永宏P(guān)LC FBs系列的定位功能將市面上專用NC定位控制器整合在PLC內(nèi)，使PLC與NC控制器能共享相同的數(shù)據(jù)區(qū)，而不需要作兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與同步控制等復(fù)雜的工作，但仍可用一般常用的NC 定位控制指令(例如DRV、SPD…等)。PLC控制4軸的定位工作，并可作多軸同動控制，除了提供點對點的定位速度控制，還提供了各軸間直線插補功能。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)用超過4軸時還可利用永宏P(guān)LC的CPU bbbb功能達到更多的定位運動控制。數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括:定位速度和輪廓切削進給速度;定位精度和輪廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機床移動部件會迅速反應(yīng)。在數(shù)控機床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
  單步點動作為一種輔助工作方式常常在工作臺的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)最高速度的選擇要考慮到機床的機械允許界限和實際加工要求，高速度固然能提高生產(chǎn)率，但對驅(qū)動要求也就更高。此外，從系統(tǒng)控制角度看也有一個檢測與反饋的問題，尤其是在計算機控制系統(tǒng)中，必須考慮軟件處理的時間是否足夠。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)是將位置檢測元件置于被測坐標(biāo)軸的終端移動部件上，以檢測機械傳動鏈中螺距誤差、間隙及各種干擾所造成的傳動誤差，并進行反饋補償控制，從而提高機床的位置控制精度。在全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，對位置檢測元件和反饋元件的選擇很關(guān)鍵。感應(yīng)同步器具有精度高、重復(fù)性好、抗干擾能力強，耐油耐污及維護簡單等優(yōu)點，特別適合于高精度全閉環(huán)數(shù)控機床的工作場合。數(shù)控機床要求具備穩(wěn)定性、快速性和準確性，而大型數(shù)控機床的機械傳動裝置轉(zhuǎn)動慣量較大，固有頻率低，要使其大大高于系統(tǒng)截止頻率很困難，全閉環(huán)包括了該進給系統(tǒng)軸幾乎所有不穩(wěn)定的非線性因素，調(diào)整不當(dāng)很容易使機床產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。
因此數(shù)控機床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證快速性的基礎(chǔ)上主要是解決機床進給運動的穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高的位置精度。伺服電機的編碼器將位移檢測信號反饋到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器將輸入信號的脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號的頻率和脈沖數(shù)，經(jīng)內(nèi)部的偏差計數(shù)器與頻率轉(zhuǎn)電壓電路處理后，得到脈沖偏差值與轉(zhuǎn)速誤差值，這樣使控制伺服電機實現(xiàn)高速、精密的速度與位置閉環(huán)回路處理系統(tǒng)。伺服電機的轉(zhuǎn)速與輸入信號的脈沖頻率成正比，而電機的移動量則由脈沖數(shù)決定。圖4是PLC控制下的伺服電機工作示意圖。

圖4     數(shù)控機床伺服電機工作示意圖

 
5  相關(guān)程序設(shè)計與操作
  PLC通過編程器輸入程序，達到控制目的。由于PLC工作過程是循環(huán)，所以程序執(zhí)行速度很快。另外軟件故障檢測設(shè)計在采用硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上采用軟件檢測外部行程開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)行程開關(guān)失靈后，通過程序控制停止機床的運行，有效地減少了機床因元件失靈造成的事故。
圖5是使用編程軟件WinProladder編輯定位程序參數(shù)設(shè)定指令圖，圖6是具體操作加工程序圖。

圖5     定位程序參數(shù)設(shè)定指令圖

圖6     加工程序圖

6  結(jié)束語  
  我國是一個機床生產(chǎn)和應(yīng)用大國，但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還不高，嚴重制約著我國制造業(yè)水平的提高。國際上的相關(guān)開發(fā)計劃對我國的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也帶來了機遇。只有選擇合適的PLC才能使定位達到預(yù)期的效果。永宏FBs系列PLC的NC定位功能在機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計中占有重要的地位，該機床經(jīng)過長期運行表明，整個系統(tǒng)設(shè)計合理，控制精度高，運行可靠，提高了生產(chǎn)的自動化水平，減小了操作人員的勞動強度。
由于采用了PLC控制，使電氣部分的抗干擾能力增加，提高了機床的運行可靠性，因而增加了設(shè)備的柔性，提高了設(shè)備的使用效率。

因此數(shù)控機床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)在保證快速性的基礎(chǔ)上主要是解決機床進給運動的穩(wěn)定性而獲得比半閉環(huán)伺服系統(tǒng)高的位置精度。伺服電機的編碼器將位移檢測信號反饋到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器將輸入信號的脈沖頻率和脈沖數(shù)與回饋信號的頻率和脈沖數(shù)，經(jīng)內(nèi)部的偏差計數(shù)器與頻率轉(zhuǎn)電壓電路處理后，得到脈沖偏差值與轉(zhuǎn)速誤差值，這樣使控制伺服電機實現(xiàn)高速、精密的速度與位置閉環(huán)回路處理系統(tǒng)。伺服電機的轉(zhuǎn)速與輸入信號的脈沖頻率成正比，而電機的移動量則由脈沖數(shù)決定。圖4是PLC控制下的伺服電機工作示意圖。

圖4     數(shù)控機床伺服電機工作示意圖

 
5  相關(guān)程序設(shè)計與操作
  PLC通過編程器輸入程序，達到控制目的。由于PLC工作過程是循環(huán)，所以程序執(zhí)行速度很快。另外軟件故障檢測設(shè)計在采用硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上采用軟件檢測外部行程開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)行程開關(guān)失靈后，通過程序控制停止機床的運行，有效地減少了機床因元件失靈造成的事故。
圖5是使用編程軟件WinProladder編輯定位程序參數(shù)設(shè)定指令圖，圖6是具體操作加工程序圖。

圖5     定位程序參數(shù)設(shè)定指令圖

圖6     加工程序圖

6  結(jié)束語  
  我國是一個機床生產(chǎn)和應(yīng)用大國，但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還不高，嚴重制約著我國制造業(yè)水平的提高。國際上的相關(guān)開發(fā)計劃對我國的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也帶來了機遇。只有選擇合適的PLC才能使定位達到預(yù)期的效果。永宏FBs系列PLC的NC定位功能在機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計中占有重要的地位，該機床經(jīng)過長期運行表明，整個系統(tǒng)設(shè)計合理，控制精度高，運行可靠，提高了生產(chǎn)的自動化水平，減小了操作人員的勞動強度。
由于采用了PLC控制，使電氣部分的抗干擾能力增加，提高了機床的運行可靠性，因而增加了設(shè)備的柔性，提高了設(shè)備的使用效率。