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点位控制PLC
摘要
可编程控制器(PLC)是专为工业环境下应用而设计一种工业控制计算机,具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化理想控制装置等显著优点,实践与深入研究,本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能有关见解与方法,介绍了控制系统研制中需要认识与解决若干问题,给出了控制系统方案及软硬件结构设计思路,工矿企业实现相关机床改造具有较高应用与参考价值
数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测等现代科学技术成就而发展起来的,目前在许多领域尤其是在机械加工行业中的应用日益广泛。
数控系统按其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。
在机械加工时,数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上(例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床),其特点是,机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动,即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。
关键词:
PLC点位控制步进电机光电编码器
ABSTRACT
BecausePLCisoneindustrialcontrolcomputerwhichisspeciallyappliedundertheindustryenvironment,ithaslotsofremarkablemerits,suchasstrongantijammingability,highreliability,slightvolume,anditisanidealcontroldevicetorealizetheintegrationofmachineryandsoon.Therefore,throughthepracticeanddeepresearch,thisarticleproposesrelatedopinionsandmethodsonrealizingthepositioncontrolfunctionofthenumericalcontrolsystembyusingthePLC,introducingcertainquestionswhichneedstobeknownandsolvedinthecontrolsystemdevelopment,andgivingthedesignmentalityaboutthecontrolsystemplanandthesoftwareandhardwarestructureaswell.ithashighapplicationandreferencevaluetorealizethetransformationofrelatedenginebed,regardingtheIndustrialandminingestablishment.
Thenumericalcontroltechnologydevelopswithapplyingachievementsonmodernsciencetechnologysynthesisly,suchaselectronictechnology,computationtechnology,automaticcontrolandautomaticdetection,andsoon.Atpresent,ithasbeenwidelyspreadedinmanydomainsdaybyday,particularlyinthemachine-finishingprofession.
Therearetwowaystorealizethenumericalcontrolsystem:
Firstly,usingtheentirely-functionalnumericalcontrolinstallment,itsfunctionisperfect,butitspriceisactuallyexpensive.Moreover,topositioncontrol,manyfunctionisunnecessary;Secondly,usingthesingletriggerorthemonolithicintegratedcircuitcontrol,besidescarryingonthesoftwaredevelopment,itneedstodesignthehardwarecircuit,theinterfacecircuit,thedrivingcircuit,especiallyconsideringtheantijammingquestionintheindustryscene.
Keywords:
plcsteppingmotorphotoelectricencoder
绪论
1、数控系统发展简史及趋势
1946年诞生了世界上第一台电子计算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。
它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础。
6年后,即在1952年,计算机技术应用到了机床上,在美国诞生了第一台数控机床。
从此,传统机床产生了质的变化。
近半个世纪以来,数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
1.1控(NC)阶段(1952~1970年)
早期计算机的运算速度低,对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适应机床实时控制的要求。
人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统,被称为硬件连接数控(HARD-WIREDNC),简称为数控(NC)。
随着元器件的发展,这个阶段历经了三代,即1952年的第一代--电子管;1959年的第二代--晶体管;1965年的第三代--小规模集成电路。
1.2计算机数控(CNC)阶段(1970年~现在)
到1970年,通用小型计算机业已出现并成批生产。
于是将它移植过来作为数控系统的核心部件,从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的"通用"两个字省略了)。
到1971年,美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器,采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上,称之为微处理器(MICROPROCESSOR),又可称为中央处理单元(简称CPU)。
到1974年微处理器被应用于数控系统。
这是因为小型计算机功能太强,控制一台机床能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床,称之为群控),不如采用微处理器经济合理。
而且当时的小型机可靠性也不理想。
早期的微处理器速度和功能虽还不够高,但可以通过多处理器结构来解决。
由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为计算机数控。
到了1990年,PC机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,可以满足作为数控系统核心部件的要求。
数控系统从此进入了基于PC的阶段。
总之,计算机数控阶段也经历了三代。
即1970年的第四代--小型计算机;1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC(国外称为PC-BASED)。
还要指出的是,虽然国外早已改称为计算机数控(即CNC)了,而我国仍习惯称数控(NC)。
所以我们日常讲的"数控",实质上已是指"计算机数控"了。
2、实现机床数控化的必要性
从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
2.1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。
于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
2.2可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高3~7倍。
由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。
数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了"柔性自动化"。
2.3加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要"修配"。
2.4可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬运。
2.5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工。
2.6由以上五条派生的好处。
如:
降低了工人的劳动强度,节省了劳动力(一个人可以看管多台机床),减少了工装,缩短了新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反应等等。
以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为重大的突破。
此外,机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。
数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业,在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。
其本质是,采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。
除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外,还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS(管理信息系统)、CIMS等等。
以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。
由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。
而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。
如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口。
这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
3、数控未来发展的趋势
3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。
远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。
3.2向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
3.3向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。
3.3.1应用自适应控制技术
数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。
3.3.2引入专家系统指导加工
将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。
3.3.3引入故障诊断专家系统
3.3.4智能化数字伺服驱动装置
可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。
4、我国机床产业的现状
我国机床总量380余万台,而其中数控机床总数只有11.34万台,即我国机床数控化率不到3%。
近10年来,我国数控机床年产量约为0.6~0.8万台,年产值约为18亿元机床的年产量数控化率为6%,年产值数控化率为12%(后两项日本分别为31.6%和75.4%)。
而且数控机床中经济型数控机床占80%以上,自动机床等高级机床不多。
我国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中,自动/半自动机床不到20%,FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。
可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床,而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。
即使是数控机床,多数是经济型数控机床,生产装备和技术陈旧而落后。
用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长,从而在国际、国内市场上缺乏竞争力,直接影响一个企业的产品、市场、效益,影响企业的生存和发展。
所以必须大力提高机床的数控化率。
据专家预测,到2000年,我国数控机床消费额可达240.2亿元。
这些需求一方面通过购置新设备来满足,另一方面,如果充分利用我国的现有的存量资产,用更新改造后的设备替代和减少购置新设备,可以起到事半功倍的效果。
以240.2亿元的需求量估计,即使10%的需求通过设备的再生改造来实现,每年也有24 亿元的市场。
5、进口设备和生产线的数控化改造市场
我国自改革开放以来,很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。
据不完全统计,从1979~1988年10年间,全国引进技术改造项目就有18446项,大约165.8亿美元。
这些项目中,大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。
但是有的引进项目由于种种原因,设备或生产线不能正常运转,甚至瘫痪,使企业的效益受到影响,严重的使企业陷入困境。
为了充分利用这些设备和生产线,我们对部分引进10年以上、与机械行业有关的技术改造项目进行了一次调查。
我们了解到一些设备、生产线从国外引进以后,有的消化吸收不好,备件不全,维护不当,结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线,忽视软件、工艺、管理等,造成项目不完整,设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行,没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好,但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的已引进较长时间,需要进行技术更新。
种种原因使有的设备不仅没有创造财富,反而消耗着财富。
这些不能使用的设备、生产线是个包袱,也是一批很大的存量资产,修好了就是财富。
只要找出主要的技术难点,解决“卡脖子”的关键技术问题,就可以最小的投资盘活最大的存量资产,争取到最大的经济效益和社会效益。
这也是一个极大的改造市场。
6、课题研究的目标
我们采用PLC作为数控系统的主控芯片,利用plc控制步进电机运动。
通过步进电机的脉冲控制,从而使车床的X轴和Y轴进行快进和工进,从而实现车床数控加工。
1、毕业设计总体概括
1.1毕业设计任务书
1.用步进电机与旋转编码器实现闭环调速
2.X方向:
丝杠(螺距T=6mm)进给当量0.01mm。
步进电机:
三相相六拍,步距角0.75°。
速度v≦5m/min(分级可调)。
最大运行距离≥2m、对输出力矩无要求.
3.Y方向:
丝杠(螺距T=6mm)进给当量0.01mm。
步进电机:
三相六拍,步距角0.75°、速度v≦3m/min(分级可调)。
最大运行距离≥300mm、对输出力矩无要求。
4.步进电机:
三相六拍,步距角0.75°
5.反馈元件采用增量式光电码盘
6.系统实现正反转,特性同上述一样
7.为了克服系统的机械传动间隙有找准系统绝对原点功能.
T
图1-1X方向速度特性曲线图图1-2Y方向速度特性曲线
图1-3机械传动示意图
1.2数控机床概述
本节主要介绍数控机床的定义、组成、工作原理等有关概念。
1.2.1数控的定义
数控的定义:
电子计算机以数字方式控制机床的技术称为数字控制技术,简称数控(NC)。
1.2.2数控机床的组成
数控机床是由普通机床演变而来的,它的控制采用计算机数字控制方式,它各个坐标方向的运动均采用单独的伺服电动机驱动,取代了普通机床上联系各坐标方向运动的复杂齿轮传动链。
数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床主体组成。
如图1-4所示,其中实线部分表示开环系统。
加虚线为闭环控制。
1.2.3控制介质
数控机床加工时,所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输,这种载体称作“控制介质”。
控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对工件位置信息的媒介物,它记载着零件的加工程序。
控制介质有多种,如穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等,也可同坐通信接口直接输入所需的各种信息。
采用何种控制介质取决于数控装置的类型。
1.2.4数控装置
数控装置可以分为普通数控装置(CN)和计算机数控装置(CNC)两大类。
前者利用专用的控制计算机,又称硬件数控;后者利用通用的小型计算机或微机加软件,又称软件数控。
数控装置是数控机床的核心,一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置等组成。
数控装置根据输入的程序和数据,经过系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后,输出各种信号和指令控制机床的各个部分,进行规定的、有序的动作。
控制信号中最基本的信号是:
经插补运算决定的各坐标轴(即作进给运动的各执行部件)的进给速度、进给方向和位置量指令信号(送伺服驱动系统驱动执行部件作进给运动);主运动部件的变速、换向和启动信号;选择和交换刀具的刀具指令信号;控制冷却、润滑的启动、工件和机床部件颂凯、夹紧、分度工作台转位等辅助指令信号等。
1.2.5伺服系统
伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成,并在机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
它根据数控装置发出来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。
伺服驱动系统有开环、闭环和半闭环之分。
1.2.6机械部件
数控机床的机械部件包括:
主运动部件;进给运动执行部件,如工作台;拖板及其传动部件;床身、立柱等支承部件;此外,还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。
对于加工中心类的数控机床,还有存放刀具的刀库,交换刀具的机械手等部件。
1.3数控机床的工作原理
数控机床的工作原理是:
将加工零件的几何信息和工艺信息便支撑程序,由输入部分送到计算机,经过计算机的处理、运算,按各坐标的分量送到各轴的驱动电路,经过转换、放大去驱动伺服电动机,带动各轴运动,并进行反馈控制,使各轴精确走到要求的位置。
如此进行下去,各个运动协调进行,一直加工零件的全部轮廓。
1.4数控机床的分类
数控机床的分类大体上可从按运动方式分类和控制方式分类来分。
1.4.1按运动方式分类
按运动方式分类可以分三种:
点位控制系统、点位直线控制系统、轮廓控制系统。
1.点位控制系统
点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台,从一点准确地移动到另一点,而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。
为了减少移动部件的运动与定位时准确移动到终点定位位置,以保证良好的定位精度。
2.点位直线控制系统
点位直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确移动到另一个点,而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。
3.轮廓控制系统
轮廓控制系统也称连续控制系统,是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格联系的控制系统。
它不仅能控制移动部件从一个点准确地移动到另一个点,而且还能控制整个加工过程每一个点的速度和位移量,将零件加工成一定的轮廓形状。
本次设计为点位控制。
1.4.2按控制方式分类
按控制方式分类也可分三类:
开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统。
1.开环控制系统
开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。
它是根据穿孔纸带上的数据指令,经过控制运算发出脉冲信号,输送到伺服驱动装置(如步进电机)使伺服驱动装置转过对应的角度,然后经过减速齿轮或丝杠螺母机构,转换为移动部件的直线移动。
如图1-5所示为开环控制系统框图。
由于开环控制系统不具有反馈装置,不能进行误差校正,因此系统精度较低。
虽然开环控制系统具有结构简单、工作稳定、使用维修方便及成本低的优点,但它已不能满足数控机床日益提高的精度要求。
2.半闭环控制系统
半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置,通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角,间接检测移动部件的位移,然后反馈到数控装置的比较器中,与输入原指令位移值进行比较,用比较后的差值进行控制,使移动部件补充位移,直到差值消除为止的控制系统。
由于半闭环控制系统中移位部件的传动丝杠螺母机构不包括在闭环之内,所以传动丝杠螺母机构的误差仍然会影响移动部件的位移精度。
如图1-6所示为半闭环控制系统框图。
3.闭环控制系统
闭环控制系统是机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置,将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中,与输入的原指令位移值进行比较,用比较后的差值控制部件作补充位移,直到差值消除时才停止移动,达到精确定位的控制系统。
闭环控制系统定位精度高,一般应用在高精度数控机床上。
由于系统增加了检测、比较和反馈装置,所以结构比较复杂,调试维修比较困难。
1.5数控机床的优势与缺点。
优点:
1.小批量而又轮番生产的零件;
2.几何形状复杂的零件;
3.需进行多种工序加工的零件;
4.切削余量大的零件;
5.加工精度高的零件;
6.工艺设计会经常变化的零件;
7.贵重零件;
8.需全部检测的零件
缺点:
1.初次设备投资大;
2.对使用者技术要求高
1.6点位控制设计论证
点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台,从一点准确地移动到另一点,而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。
这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动,从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置,然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。
特点:
在整个移动过程中不进行切削加工,因此对运动轨迹没有任何要求,但要求坐标位置有较高的定位精度。
点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系,这类机床主要有数这类数控机床仅能控制在加工平面内的两个坐标轴带动刀具与工件相对运动,从一个坐标位置快速移动到下一个坐标位置,然后控制第三个坐标轴进行钻镗切削加工。
特点:
在整个移动过程中不进行切削加工,因此对运动轨迹没有任何要求,但要求坐标位置有较高的定位精度。
点位控制的数控机床用于加工平面内的孔系,这类机床主要有数控钻床、印刷电路板钻孔机、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机等。
要获得高的定位速度,同时又要保证定位精度,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。
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1分钟,这样为速度显然已能满足要求。
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,(即完成粗定位阶段),为了保证定位精度,再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,例如取脉冲当量为0.01mm/步。
尽管脉冲当量变小,但由于精定位行程很短(可定为全行程的五十分之一左右),因此并不会影响到定位速度。
步进电机是一种性能良好的数字化执行元件,在数控系统的点位控制中,可利用步进电机作为驱动电机。
在开环控制中,步进电机由一定频率的脉冲控制。
由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路,进一步提高可靠性。
由于PLC是以循环扫描方式工作,其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间,因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响,步进电机不能在高频下工作。
例如,若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ,则脉冲周期为0.25毫秒,这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多,如采用此频率来控制步进电机。
则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲,但步进电机仍一动不动,出现了严重的失步现象。
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