数控技术综合应用电子技术、计算技术、自动控制与自动检测,目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用非常广泛。
数控系统按控制方式划分,有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在进行机械加工时,数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上。其特点是,机床移动部件能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。
一、数控系统的作用原理
1. 将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
要获得高定位速度,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。
(1)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1mm,这样的速度显然已能满足要求。
(2)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,为了保证定位精度,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。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,采用降速传动。这两套变速机构的选用由电磁离合器控制。
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,还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抽象提高的话,那么功能指令就是对汇编语言的抽象提高。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+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,可以多片BCD码拨盘并联使用。
笔者选BCD码拨盘装置应用于PLC控制系统,这样不用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。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,最好设置一个输入键,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。
3. 软件编码、硬件解码
为满足压缩输出点这一前提条件,采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如,对于9种及其以下的故障状态显示,可采用8-4软件编码、4-8硬件解码,使显示故障的输出点压缩为4个;硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
4. PLC外部元件故障的自动检测
由于PLC具有极高的可靠性,因此其控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身,而是由于外部元件故障引起的。例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化,就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障,不仅具有声光报警功能,而且能立即显示故障代码,以便用户据此迅速判断出故障原因。
二、控制系统的软件结构
软件结构根据控制要求而设计,主要划分为五大模块:步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。
由于软件结构较为庞大,脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲,使移位寄存器移位,提供六拍时序脉冲,通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制,用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程,计数器的设定值依据行程而定。例如,设刀具或工作台欲从A点移至C点,已知AC=200mm,把AC划分为AB与BC两段:AB=196mm、BC=4mm,AB段为粗定位行程,采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动,利用了6位计数器(C660/C661);而BC段为精定位行程,采用0.01mm/步的脉冲当量精确定位,利用3位计数器C460,在粗定位结束进入精定位的同时,PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。
系统试验表明,本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求,在实际运行中是切实可行的。该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,具有良好的性能价格比等优点,其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的机床改造。
(作者单位:山东省淄博市技师学院)
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