基于嵌入式PLC的數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)

孫釗

摘要：隨著科技不斷進步，PLC控制器在數(shù)控機床得到了廣泛地應用。以控制器框架結構為基礎，研究數(shù)控機床的自動控制系統(tǒng)，計算并比較系統(tǒng)內重要的運行參數(shù)，并結合硬件結構的不同屬性，對嵌入式PLC系統(tǒng)方案進行分類。研究結果顯示，PLC自動化控制系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，可提高系統(tǒng)運行的準確性和穩(wěn)定性;滾動軸的導程由電機運轉速度和移動桿的轉動速度決定，當電機運轉速度越高時，導程的數(shù)值越小，反之則越大。研究結果為數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)性能提升提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：PLC;數(shù)控機床;自動化;控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

ResearchonAutomaticControlSystemofNC

MachineToolBasedonEmbeddedPLC

SUNZhao

（

SchoolofIntelligentManufacturing，ShanxiInstituteofMechatronicTechnology，Baoji721001，China

）

Abstract：Withthecontinuousprogressofscienceandtechnology，PLCcontrollershavebeenwidelyusedinCNCmachinetools.Basedonthecontrollerframestructure，thispaperstudiestheautomaticcontrolsystemofCNCmachinetools，calculatesandcomparesimportantoperatingparametersinthesystem，andcombinesthedifferentattributesofthehardwarestructuretoclassifytheembeddedPLCsystemscheme.TheresearchresultsshowthatthePLCautomaticcontrolsystemhasahighantiinterferenceabilitywhichcanimprovetheaccuracyandstabilityofthesystemoperation.Theleadoftherollingaxisisdeterminedbythemotorspeedandtherotationspeedofthemovingrod.Thesmallerthevalueoftheleadis，thelargeritis.TheresearchresultprovidesascientificbasisfortheperformanceimprovementoftheautomaticcontrolsystemofCNCmachinetools.

Keywords：PLC;CNCmachinetools;automation;controlsystem

0引言

現(xiàn)在工業(yè)的自動化、集成化以及柔性化是提高勞動生產(chǎn)率、提升產(chǎn)品質量的基礎。而隨著科技的不斷進步，使得數(shù)控機床的控制電路由傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路RLC（RelayLogicCircuitRLC）逐步升級為可編程邏輯的控制器PLC（ProgrammableLogicControllerPLC），其PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展是以傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制為基礎，采用特殊的存儲介質，為特殊的用途而設計出來，主要實現(xiàn)內部介質存儲、運算過程分析、程序結構控制等功能，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程，其在數(shù)控機床中常以內裝式和獨立式兩種形式存在。在機械行業(yè)的應用過程中，可以大大的節(jié)省人力勞動，提高工業(yè)生產(chǎn)效率，因其邏輯編程操作簡易，具有較高的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)運行的準確性和穩(wěn)定性[1]。本文就針對于在PLC的基礎之上研究數(shù)控機床的自動控制系統(tǒng)的設計?？删幊踢壿嬁刂破魇且环N以微處理器為基礎的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)在數(shù)控機床自動化控制中的應用，使得整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和有效性大大提高[2]。PLC是一種可編程控制器件，其存儲器類型屬于可編程存儲器，完成系統(tǒng)指令下達、數(shù)據(jù)邏輯運算、計算順序控制等功能，通過數(shù)字式的信息處理方式實現(xiàn)輸入輸出方式對相關機械的自動化生產(chǎn)控制。該控制器屬于新型的工業(yè)控制器，既能控制開關量，也能控制模擬量，也可以將計算機與自動化控制技術相結合，同時利用大量的集成電路技術，大大的提高整個系統(tǒng)運行時的抗干擾性，使得系統(tǒng)持續(xù)不斷的工作，從而提高生產(chǎn)效率，PLC集成體積小，編程簡單，適應性強等特點，使得PLC在機械工業(yè)中的使用范圍越來越廣，同時對復雜的系統(tǒng)進行綜合梳理并對系統(tǒng)實現(xiàn)控制[3]。

1PLC數(shù)控系統(tǒng)

1.1PLC硬件框架

PLC數(shù)控系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的計算系統(tǒng)具有對周圍環(huán)境適應性強、程序語言識別速度快和系統(tǒng)編程穩(wěn)定性好等特點，同時PLC數(shù)控系統(tǒng)在實際的生產(chǎn)過程中對硬件接口具有較高的適應性。因此，對于數(shù)據(jù)控制單元由系統(tǒng)內的硬件組成和用戶使用環(huán)境構建，二者相互聯(lián)系，組成了PLC數(shù)控系統(tǒng)的基礎單元結構，如圖1所示。

PLC硬件組成框架主要由內設接口和外部接口兩大部分構成，其中內設接口包括用戶輸入單元、用戶輸出單元、微處理器CPU、運算器和控制器，當輸入單元和控制單元接通電源后，輸入單元采集用戶的設備的基本信息，以電信號的形式傳輸?shù)娇刂茊卧?jīng)過微處理器CPU對接收信號分析和運算器綜合計算，以數(shù)字信號的形式傳輸?shù)娇刂茊卧瑢鬏斝盘栠M行編碼解析，最后輸出至用戶設備;系統(tǒng)內的輸入單元對應外設接口，輸出單元對應擴展接口，同時，在外設單元中還包含存儲器、系統(tǒng)程序、RAM用戶程序[46]。以上單元接口在系統(tǒng)程序的控制下，可以將用戶的信息進行及時存儲，在運算的過程中對程序的正確性對照檢查，保障內部構件的準確性和完整性，最后將運算的程序存儲于系統(tǒng)的結構單元，并將用戶的信息在存儲設備識別并讀取，通過編譯器將程序信號轉化為數(shù)據(jù)信號，以此實現(xiàn)PLC數(shù)控系統(tǒng)的全部功能。

1.2數(shù)控系統(tǒng)構成

數(shù)字控制（NumericalControl）對于以數(shù)字化的信號對機床的運行和使用實現(xiàn)控制[7]。其數(shù)控機床的主要構成部分由程序介質、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)以及機床主體四部分組成，如圖2所示。

加工編碼是將零件加工程序使用相應的格式和代碼存儲在一種程序載體上，同不同類別數(shù)控機床進行對比，將這些程序信息輸入到CNC（ComputerNumericalControl）單元[8]。數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)。其中數(shù)控機床的主要組成部分是主控裝置，采用多個微處理器的CNC裝置，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)，對所有需要輸出的零部件采用編碼處理;伺服系統(tǒng)是PLC系統(tǒng)中處于核心位置，實現(xiàn)數(shù)控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。機床主體就是為了加工零件，是數(shù)控機床的主要部分，包括機體、主軸箱、刀架等機件。其作用是處理各種原材料，按照預設的零件構圖進行加工設計。在實際的數(shù)控機床運行過程中，很有可能會發(fā)生緊急突發(fā)的狀況，操作人員的失誤可能導致整個生產(chǎn)的失誤。在數(shù)控機床的自動控制系統(tǒng)中，為了避免突發(fā)事件，會增加圖書的設計結構，比如緊急按鈕和導程等部件。

2系統(tǒng)參數(shù)計算

機床運動參數(shù)計算是系統(tǒng)正常運行的保障，針對機床的參數(shù)計算需要掌握其重要的部件，機床中的滾動軸是正常穩(wěn)定運轉不可或缺的部分，常規(guī)滾動軸的軸心分別朝向固定面板的兩端，從而確保運行平穩(wěn)，PLC系統(tǒng)的機床涉及的參數(shù)種類多，需要對重要的參數(shù)進行計算并比較，為機床及時檢修提供數(shù)據(jù)支撐。

機床滾動軸的重要指標是導程，在機床設計過程中根據(jù)接觸表面的光滑程度來制定適合的機床部件，例如結合材料力學選取符合要求的物理參數(shù)，將參數(shù)類型進行歸整，作為PLC的數(shù)控機床生產(chǎn)的重要指標[9]。滾動軸的導程由電機運轉速度和移動桿的轉動速度決定，當電機運轉速度越高時，導程的數(shù)值越小;當機床移動桿的轉動速度越大時，導程的數(shù)值越小。滾動軸導程的計算公式如式（1）。

Q=Vmaxi×Nmax

（1）

式中：Nmax為電機運轉速度，單位為m/s;

Vmax為移動桿轉動速度，單位為m/s;

i為傳動比，這里取值為1;

Q為滾動軸的導程。

數(shù)控機床滾動軸不同的安裝方法，其在接觸面的受力也不盡相同，結合機床構造和工程力學，最小安裝直徑受電動機的運轉速度、使用材料的伸縮程度、轉動桿的承受荷載和固定端到自由端的距離決定的，其計算公式如式（2）。

d=2×102（10×FLc）2πδmV

（2）

式中：V為電動機的運轉速度，單位為m/s;

δm為材料的伸縮程度;

F為轉動桿的承受荷載，單位為N;

LC為固定端到自由端的距離，單位為m。

數(shù)控機床在運行過程中，需要對其運行荷載進行計算。如果接觸面的承受荷載遠大于它的運行荷載時，就會出現(xiàn)不平穩(wěn)運行，甚至產(chǎn)生安全事故[10]。因此計算數(shù)控的運行荷載非常重要，該荷載主要由轉動軸的穩(wěn)定系數(shù)、材料的彈性模量、移動桿的慣性矩、轉動軸的移動距離決定，數(shù)控機床運行荷載的計算公式如式（3）。

PK=2FKEInKL2

（3）

式中：PK為運行荷載，單位為N;

FK為轉動軸的穩(wěn)定系數(shù)（雙軸時為2，單軸時為1）;

E為材料的彈性模量，單位為Pa;

I為移動桿的慣性矩，單位為m2;

L為轉動軸的移動距離，單位為m。

3嵌入式PLC控制系統(tǒng)

嵌入式PLC系統(tǒng)的內部硬件結構有著較大的差別，結合硬件結構的不同屬性，嵌入式PLC系統(tǒng)按照組成結構不同可分為：傳統(tǒng)PLC控制方案、內置控制器運行方案和計算機通信接口控制方案，根據(jù)方法和過程不同控制方案如下：

（1）傳統(tǒng)PLC控制方案

傳統(tǒng)PLC控制方案中是以計算機為基礎，將運算程序以系統(tǒng)的組成部分為單元，固定在系統(tǒng)的硬件結構中，如圖3所示。

PLC運行系統(tǒng)與PLC開發(fā)系統(tǒng)以信號交互形成通信體系，結合系統(tǒng)的使用要求對在計算機平臺編寫的程序代碼，以數(shù)據(jù)信號的形式傳輸?shù)较乱粋€接口處，并實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)控制和程序運行[11]。

（2）內置控制器運行方案

內置控制器是PLC系統(tǒng)獨立的組成部分，該系統(tǒng)的重要組成部分為微型處理器，主要實現(xiàn)在指定系統(tǒng)中完成信號接收、數(shù)據(jù)分析及代碼編譯，以系統(tǒng)硬件組成的方式嵌入在系統(tǒng)結構中，實現(xiàn)控制系統(tǒng)信號交互及數(shù)據(jù)通信等功能[12]，如圖4所示。

在PLC運行系統(tǒng)中嵌入式控制器與PLC開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，根據(jù)開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)分析，在標準的通信協(xié)議下完成交互信號與運行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口準確對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號實時交互。

（3）計算機通信接口控制方案

在計算機通信接口控制系統(tǒng)的硬件部分主要由控制計算機、系統(tǒng)總線接口和I/O接口組成[13]。PLC開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡I/O接口進行數(shù)據(jù)交互，同時PLC運行系統(tǒng)與I/O接口和系統(tǒng)總線接口實現(xiàn)信號傳遞，以上結構單元組建控制計算機與網(wǎng)絡接口完成信號控制。計算機通信接口框架結構，如圖5所示。

4基于PLC的控制系統(tǒng)設計

4.1基本功能

PLC技術相對于傳統(tǒng)的控制技術擁有特殊的功能，在系統(tǒng)組成部分擁有多項的基本功能，其基本功能如下。

1）PLC技術以強化邏輯運算功能為目標，功能介于中心主要數(shù)據(jù)控制和配電裝置核心功能相互轉化;

2）有專一的存儲用戶程序的存儲器，對復雜的控制對象以及控制邏輯更靈活，其用戶程序采用的邏輯順序關系和傳統(tǒng)的繼電器電路十分相似的梯形圖形編輯;

3）PLC可以和多種外部的設備進行連接，更方便的實現(xiàn)程序的顯示、編輯等功能;

4）PLC具有較高的抗干擾能力，體積小，摒棄了傳統(tǒng)繼電器的接觸不良、磨損等特點;

PLC技術在實際的生產(chǎn)中起到了重大的作用。采用PLC的數(shù)控機床機構更加緊湊，功能更加豐富，在自動化程度較高的生產(chǎn)制造系統(tǒng)和加工設備中，PLC是一種不可或缺的控制裝置[810]。

4.2PLC控制系統(tǒng)組成

PLC采用典型的計算機結構，由CPU、輸入、輸出接口電路、讀寫存儲器等，該系統(tǒng)可以看成由變量的信號輸入和信號輸出變量組成，此時的PLC相當于一個中間處理器，將輸入的變量經(jīng)過一定的編程程序的處理以得到輸出變量[14]。其控制結構圖，如圖6所示。

輸入部分此部分的輸入端子與按鈕開關、液位報警開關、壓力檢測開關等連接，主要用來收集系統(tǒng)中的各種實際數(shù)據(jù)，以重復掃描的方式進行用戶程序的執(zhí)行，并按照程序事先編寫好的地址將輸入信號讀入輸入映像寄存器中并執(zhí)行，程序執(zhí)行過程中，以掃描周期為周期進行獲取輸入數(shù)據(jù)?？刂撇糠执瞬糠职凑毡豢貙ο蟮膶嶋H控制要求所編寫的用戶程序進行反復執(zhí)行，并按照順序進行掃描執(zhí)行，并將執(zhí)行結果寫入有關輸出映像的寄存器中。輸出部分該部分的輸出端子與接觸器、三色警報、驅動使能等連接，是電路的輸出狀態(tài)，用于控制被控制對象的動作操作。根據(jù)所設計需要的輸出模式，完成指定的操作，并將輸出映像寄存器中的狀態(tài)轉移到輸出鎖存寄存器中，實現(xiàn)外部負載。

4.3PLC模塊化設計

本次設計中，將PLC模塊劃分為5個模塊，公共信號模塊、基本控制模塊、刀架模塊、主軸模塊和報警模塊[15]。其中公共信號模塊的主要作用是將PLC和NC之間的信號進行相應的處理;基本控制模塊的主要作用是程序的啟停、緊急處理等;刀架模塊主要是實現(xiàn)選擇合適的刀架、以及對刀架的定位等邏輯控制功能;主軸模塊主要是對主軸的正反轉、主軸定位等進行控制，并通過PLC的編程實現(xiàn)參數(shù)的修改等;警報模塊主要是機床的故障、人為誤操作等進行檢測并同時給以反饋警報信息等。該模塊的功能實現(xiàn)可以通過一個主程序以及若干的子程序一起完成，實現(xiàn)對機床的各種控制作用，其主要的子程序結構，如表1所示。

數(shù)控機床中PLC技術的實現(xiàn)的基礎就是程序指令，相應的指令會將信號和程序納入控制體系中。PLC技術的運用，可以實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的升級以及改進，在實際的運行過程中實現(xiàn)高效率的數(shù)控機床控制，并對該系統(tǒng)結構進行不斷地優(yōu)化，從而升級數(shù)控機床的控制性能。

5總結

在我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展中，對數(shù)控機床的需求不斷的提高，而PLC在數(shù)控機床中的應用，不僅大大的提高了整個系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，而且有效的實現(xiàn)數(shù)控機床的自動化控制，對提高企業(yè)的經(jīng)濟效益有很大的益處。結合當今數(shù)控系統(tǒng)的特點，要不斷地改善PLC的功能，特別是完善和改善上位機軟件的功能，以及對數(shù)控系統(tǒng)編程語言的進一步統(tǒng)一，這些問題的解決，會使得我國數(shù)控系統(tǒng)性能得到很大的提升。

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（收稿日期：2020.04.01）