摘要：提出了PLC與伺服系統(tǒng)在數(shù)控車床的模擬量、數(shù)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(shù)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(tǒng)軟硬件設計，使機床在加工中精度得以保證。
關(guān)鍵詞：PLC 伺服系統(tǒng) 運動軌跡 精度
1、引言
近年來，PLC在工業(yè)自動控制領(lǐng)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(xiàn)出的•綜合優(yōu)勢是其他工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，它在位置控制，過程控制，數(shù)據(jù)處理等方面的應用越來越多。
數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位，因此，世界各工業(yè)發(fā)達國家均采取各種措施來改進和完善自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)中最具廣泛代表性的車床，越來越被人們所重視，由于傳統(tǒng)的數(shù)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(wěn)定性差）；②步進電機由于是開環(huán)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(xiàn)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(xiàn)代控制技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)控車床的精確控制。下面就老式簡易數(shù)控車床改為精車機來淺談一下。
2、數(shù)控方案的組成
數(shù)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(qū)動旋轉(zhuǎn)，其次是車刀在X、Z平面內(nèi)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(shù)字量（D或M），經(jīng)PLC后再由伺服驅(qū)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(jié)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(qū)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(yǎng)要求低。
（2） 定子繞組散熱比較方便。
⑶慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。
⑷適應于高速大力矩工作狀態(tài)。
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(zhuǎn)編碼器分辨率為Pe=25000脈沖/轉(zhuǎn)，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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(jié)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(qū)動器公共端；COM1：至Z軸伺服驅(qū)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(zhuǎn)；Y3：主軸反轉(zhuǎn)；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(guān)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(shù)據(jù)輸入和對不同工件的數(shù)據(jù)存儲、調(diào)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(tài)進行采樣，并根據(jù)采樣結(jié)果，對照工藝要求，執(zhí)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(xiàn)場的調(diào)試和程序維護、程序設計基本思路，系統(tǒng)的X軸和Z軸各有一個機械原點。程序初始化時，執(zhí)行一次回原點，然后根據(jù)第二次調(diào)試的數(shù)據(jù)設定電氣原點，根據(jù)機械的正反轉(zhuǎn)間隙補償量，按照給定的數(shù)據(jù)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(jīng)常用到，又具有典型加工的圓弧加工系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)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(xù)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(shù)據(jù)清零。
4．結(jié)束語：
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，PLC功能也不斷增強，可靠性不斷提高，在舊設備技術(shù)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(huán)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(yè)技術(shù)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(yè)出版社
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
