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基於嵌入（rù）式ＰＬＣ的數控機床自動（dòng）控製係（xì）統

2020-11-2 來源：陝西機電（diàn）職（zhí）業技術學院（yuàn）智（zhì）能製造學院作者：孫釗

摘（zhāi）　要：隨著科技不斷進步，ＰＬＣ控製器在數控機（jī）床得到了廣（guǎng）泛地應用。以（yǐ）控製器（qì）框架結構為基（jī）礎，研究數（shù）控機床的自（zì）動控製係統，計算並比較係統內重要的運行（háng）參（cān）數，並結合（hé）硬件（jiàn）結（jié）構的不同屬性（xìng），對嵌入式ＰＬＣ係統方案進行分類。研究結果顯示，PＬＣ自動化控製係統具有較高的抗幹擾能力,可提高係統運行的準確性和穩定性；滾動軸的導程由電（diàn）機（jī）運轉速度和移動杆的轉動速度決定，當電機運轉速度越高時，導程的數值越（yuè）小，反之則（zé）越大。研究結果為（wéi）數控機床自動控製係（xì）統性能提升提供了科學依據（jù）。

關鍵詞：ＰＬＣ；數控機床；自（zì）動化；控（kòng）製係統

０、引言

現在工業的自（zì）動化、集成化（huà）以及柔性化是提高勞動生產率、提升產品質量的基（jī）礎。而隨著科技的不斷進步，使得（dé）數控（kòng）機床的控製電路由傳統的繼（jì）電器邏輯電路ＲＬＣ（ＲｅｌａｙＬｏｇｉｃ　Ｃｉｒｃｕｉｔ－ＲＬＣ）逐步升級為（wéi）可編程邏輯（jí）的控製器ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ－ＰＬＣ），其（qí）ＰＬＣ控製係統的發展是以傳統的（de）繼電器、接觸器（qì）控製（zhì）為基礎，采用特殊的（de）存儲介質，為特殊的用途而設計出來，主要實現內部介質存儲（chǔ）、運算過程分析、程序結構控製等功能，控製各種類型的機械或生產過程，其在數控機床中常以內裝式和獨立式兩種形式（shì）存在。在（zài）機械行（háng）業的（de）應用過程中，可以大大的節省人力勞動，提高（gāo）工業生產效率，因其邏輯編程操作簡易，具有較高的抗幹擾能力，提高（gāo）了係統運行的準確性和穩定性。本文就針對於（yú）在ＰＬＣ的基礎之上研究數控（kòng）機床的自動控（kòng）製係（xì）統的設（shè）計。可編程邏輯（jí）控製器是一種以微處理器為（wéi）基礎的數字運算電子係統，該係統在數控機床自動化控製中的應用，使得整個係統的運行穩定性和有效（xiào）性大大提高。ＰＬＣ是一種可編程控製（zhì）器件，其存儲器類型屬於可（kě）編程存儲器（qì），完成係統指令下達、數據（jù）邏輯運算、計算順序控製等功能，通過（guò）數字式的信息處理方式實現輸入輸出（chū）方式對相關（guān）機械（xiè）的自動化生產控（kòng）製。該控製器屬於（yú）新型的工業控製器，既能控製開（kāi）關量，也能控（kòng）製模擬量，也可以將計算機與自動化控製技術相結合，同時利用大量（liàng）的集成電路（lù）技術，大大的提高整個係統運行時的抗幹擾性，使得係（xì）統持續不斷的工（gōng）作，從而提高生產效（xiào）率，ＰＬＣ集成體積小，編程簡單，適應（yīng）性強等（děng）特點，使得ＰＬＣ在機械工業中的使用範圍越來越廣，同時對複雜的係（xì）統進行綜合梳理並對係統實現控製。

１、ＰＬＣ數控係統

１.１、ＰＬＣ硬件框架

ＰＬＣ數控（kòng）係統相較於傳統的計算係（xì）統具有對周圍環（huán）境適應性強、程序語言識別速度快和係統編程（chéng）穩定性好等特點，同時ＰＬＣ數控係統在（zài）實際的生產過程中對硬件接口具有較高的適應性。因此，對於數據控（kòng）製單元由係統內的硬件組成（chéng）和用戶使用環境構建，二者相互聯係，組（zǔ）成了ＰＬＣ數控係統的基礎單元結構，如（rú）圖１所示。

圖１　ＰＬＣ硬件組成（chéng）框架（jià）

ＰＬＣ硬件組成框架主要由內設接口（kǒu）和（hé）外部接口兩大部分構成，其中內設接口（kǒu）包括用戶輸入單元、用戶輸出單元、微處理器ＣＰＵ、運算器和（hé）控製器，當輸入（rù）單元和控製單元接通電源後，輸入單元采集用戶的設備的（de）基本信息，以電信號的形式傳輸到（dào）控製單元，經過微處理器ＣＰＵ對接收信號分析（xī）和運（yùn）算器綜合計算，以數字信號（hào）的形式傳輸到控製單元，對傳輸信（xìn）號進行編碼解析，最後輸出至用戶設備；係統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（zhōng）還包含存（cún）儲器、係統程序、ＲＡＭ用戶程序。以上（shàng）單元（yuán）接口在係統程序的控製（zhì）下，可以將用戶的信息進行及時（shí）存儲（chǔ），在運算的過程中（zhōng）對程序的正確（què）性對照檢查，保障內部（bù）構件的準確（què）性和完整性，最後將運算的程序（xù）存儲（chǔ）於係（xì）統的結構單（dān）元，並將用戶的（de）信息在存儲設備識別並讀取，通過編譯器（qì）將程序信號轉化為數（shù）據信（xìn）號，以此實現ＰＬＣ數控係統的全部（bù）功能。

１.２、數控係統構成

數字控製（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）對於以數字化的信號對機床的運（yùn）行和使用實現控製。其數控機床的主要構成部分由程（chéng）序介質、數控裝置、伺服係統以及機床主體（tǐ）四部（bù）分組成，如圖２所示。

圖２　數控機床的組成

加工編碼是將零件加工程序使用相（xiàng）應的格式和（hé）代碼存儲在一種程序（xù）載體上，同不（bú）同類（lèi）別數控機床進行（háng）對比，將這些程序信息輸入到ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）單元。數控係統（tǒng）包括數控裝置和伺服係統。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（zhì），根據輸（shū）入數據，對所有需要輸出的零部件采（cǎi）用編碼處理；伺（sì）服係（xì）統是ＰＬＣ係統中處（chù）於核心位置，實現數控機床的進給伺服控製和主軸伺服控製。機床主體就是為了加工零件，是數控（kòng）機床（chuáng）的主要部分，包（bāo）括機（jī）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。在實際的數控機床運行過程中，很有可（kě）能（néng）會發生緊急突發的狀況，操作人員的失誤可（kě）能導致整個生產的（de）失誤。在數控機床的自動控（kòng）製係統中，為了避（bì）免突發事件，會增加圖書（shū）的設計結構，比如緊急按鈕和導程等部件。

2、係統參數計算

機床運動參數計算是係統正常運行的保（bǎo）障，針對機床的參數計算需要掌握其重要的部件，機床中的（de）滾動軸是正常（cháng）穩定運轉不可（kě）或缺的部（bù）分，常（cháng）規滾動軸的軸心分別朝向固定麵板的兩端，從而確保運（yùn）行平穩，ＰＬＣ係統的機（jī）床涉及的參數種類多，需要對重（chóng）要（yào）的參數進行計算並比較（jiào），為機（jī）床（chuáng）及時檢修提供數據支（zhī）撐。

機床（chuáng）滾（gǔn）動軸的重要指標是導程，在機床設計過程中根據接觸（chù）表麵的（de）光滑程度（dù）來製定適合的機床部件，例如結合材料力學選取符合要求的物理參數，將參數類型進行歸（guī）整，作為ＰＬＣ的數控機床生產的重要指（zhǐ）標。滾動軸的導程由電機運轉速度和移動杆的轉動速度決定，當電機運轉速度越（yuè）高時，導程的數值越小；當機床（chuáng）移動杆（gǎn）的（de）轉動速度越（yuè）大時，導程的數值越（yuè）小。滾動軸導程的計算公式（shì）如式（１）。

式中：Ｎｍａｘ為電機（jī）運轉速度，單位為ｍ／ｓ；Ｖｍａｘ為移動杆轉動速度，單位為ｍ／ｓ；ｉ為傳動比，這裏取值為１；Ｑ為滾動軸的導程。

數控機床滾動軸不同的安（ān）裝方法，其在接觸麵的受力也不盡相（xiàng）同，結合機床構造和工程力學，最小安裝直徑（jìng）受電動機的運（yùn）轉速度（dù）、使用材料的伸縮程度（dù）、轉動（dòng）杆的承（chéng）受荷載和固定端到自（zì）由端的距離（lí）決定的，其計（jì）算公式如式（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（dù）；Ｆ為轉（zhuǎn）動杆的（de）承受荷載（zǎi），單位為Ｎ；ＬＣ為固定端到（dào）自由（yóu）端的距離，單位為ｍ。

數控機床在（zài）運行（háng）過程中，需要對（duì）其運行荷載進行（háng）計算。如果接觸麵的承受荷載遠大於它的運行荷載時，就會出現不平穩運行，甚至產生安全事故。因此計算數控的運行荷載非常（cháng）重要，該荷載主要由轉動軸的穩定係數、材料的（de）彈性模量、移動杆的慣性矩、轉動軸（zhóu）的移動距離決定，數控（kòng）機床運行荷載的計算公式如式（３）。

式中：ＰＫ為運（yùn）行荷載，單位為（wéi）Ｎ；ＦＫ為轉動軸的穩定係數（雙（shuāng）軸（zhóu）時為２，單軸時為１）；Ｅ為材料的彈性模量，單位為Ｐａ；Ｉ為移動杆的慣性矩，單位為ｍ２；Ｌ為轉動軸的移動距離，單位為ｍ。

３、嵌入式ＰＬＣ控製係統

嵌入式ＰＬＣ係統的內部硬件結構有著（zhe）較大（dà）的（de）差別（bié），結合硬件結構的不同屬性，嵌入式ＰＬＣ係統按照組成結構（gòu）不同可分為：傳統ＰＬＣ控製方案、內置控製器運行方案和計（jì）算機通信（xìn）接（jiē）口控製方案，根據（jù）方法和過程不同控製方案如下：

（１）傳統（tǒng）ＰＬＣ控製方案

傳統ＰＬＣ控製方案中是以計算機為基礎，將運算程序以（yǐ）係統的組成部（bù）分為單元，固定在係統的硬（yìng）件結構（gòu）中，如圖３所示。

圖３　傳統ＰＬＣ係統結構（gòu）框架

ＰＬＣ運行係統（tǒng）與ＰＬＣ開發係統以信號交互形成通信體係，結（jié）合係統（tǒng）的使用要求對在計（jì）算機平台編寫的程（chéng）序代碼，以數據信號的形（xíng）式傳輸到下一個（gè）接口處，並實現係統（tǒng）數據控製和程序運行。

（２）內置控製器運行方案（àn）

內置控製器是ＰＬＣ係統獨立的組成部分，該（gāi）係統的重要組成部分為微型（xíng）處理器，主要實（shí）現在指（zhǐ）定係統中完（wán）成信號接收、數據分析及代碼編譯，以係統（tǒng）硬件（jiàn）組（zǔ）成的方式嵌入在係（xì）統結（jié）構中，實現控製係統信號交互及數據通（tōng）信等功能，如圖４所示。

圖４　內置（zhì）控製器結構框架

在ＰＬＣ運行係統中嵌入式控製器與ＰＬＣ開發係統實現數據通信功能，根據開發係統和運行（háng）係統分析，在標（biāo）準的通信協議下完成交互信號與運行係統和數據接（jiē）口準確對接，實現數據信號實時交互。

（３）計算機通信接口控製方案

在計算機通信（xìn）接口（kǒu）控製係統（tǒng）的硬件部分主要由控製計算機、係統（tǒng）總（zǒng）線接口和Ｉ／Ｏ接口組成。ＰＬＣ開發係統和運行係統根（gēn）據網（wǎng）絡Ｉ／Ｏ接口進行數據交互，同時ＰＬＣ運（yùn）行係統與Ｉ／Ｏ接（jiē）口（kǒu）和係統（tǒng）總線接口實現信號傳遞（dì），以上結構（gòu）單元組建控（kòng）製計算（suàn）機與網絡接（jiē）口完成信號控製。計算機通信接口框架結構，如圖５所示（shì）。

圖５　計算機通信接口（kǒu）結（jié）構框架

４、基於ＰＬＣ的控製係統設計

４.１、基本功能

ＰＬＣ技術相對於傳統的控製技術擁有（yǒu）特殊的功能，在係統組成部分擁有多項的基本功能，其基本（běn）功能如下。

１）ＰＬＣ技術以強化邏輯運算功（gōng）能（néng）為（wéi）目標，功能介於中心主要數據控製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（cún）儲器，對複雜的控製對象以及（jí）控製邏輯更靈活，其用戶程序采用的邏輯順序（xù）關係和傳統的繼電器電路十分相似（sì）的梯形圖形編輯；

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

４）ＰＬＣ具有較高的抗幹擾能力，體積小，摒（bìng）棄了傳統繼電器的接觸不良、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的數控機床機構更加緊湊，功能更加豐富，在自動化程度（dù）較高的生產製造係統和加工設備中，ＰＬＣ是一種不可或缺的控製裝置。

４.２、ＰＬＣ控製係統組成

ＰＬＣ采用典型的計算機結構，由ＣＰＵ、輸入、輸（shū）出（chū）接口電路、讀（dú）寫存儲（chǔ）器等，該係（xì）統可以看成由變量（liàng）的信號輸入和信號輸出變量組成，此（cǐ）時的（de）ＰＬＣ相當於（yú）一（yī）個中間處理器，將輸入的變量經過（guò）一定的編程程序的處理以得到輸出變量。其（qí）控製結構圖，如圖６所（suǒ）示。

圖６　ＰＬＣ係統基本（běn）功能框架（jià）圖

輸入部分此部分的輸入端子與按鈕開關、液位報警（jǐng）開關、壓力檢測開關等連接，主要用來收集係統中（zhōng）的各種實際（jì）數據，以（yǐ）重複掃描的方式進行用戶程序的執行，並（bìng）按照（zhào）程序事先編寫好的地（dì）址將輸入信號讀入輸入映像寄存器中並執行（háng），程序執行過程中，以掃描周期為周期進行獲（huò）取輸入數據（jù）。控製部分此部分按照被控對象（xiàng）的實際控製要求所編寫的（de）用戶程（chéng）序進行反複執行，並按照順序進行掃描執行，並將執行結果寫入有關輸出映（yìng）像的（de）寄存器中。輸（shū）出部分該部分的輸出端子與（yǔ）接觸器、三色警（jǐng）報、驅動（dòng）使能等連接，是電路的輸出（chū）狀態（tài），用於控製被控製對象的動作操作。根據所設計需要的輸出（chū）模式，完成指（zhǐ）定的操作（zuò），並將輸出（chū）映像寄（jì）存器中的狀態轉移到輸（shū）出鎖存寄存器中，實現外（wài）部負載（zǎi）。

４.３、ＰＬＣ模塊化設計

本次設計中，將（jiāng）ＰＬＣ模（mó）塊劃分為５個模塊，公共信號模塊、基本控製模塊、刀（dāo）架模塊、主軸模塊和報警模塊。其中公（gōng）共信號模塊的（de）主要作用是將ＰＬＣ和ＮＣ之間的信號進行相應的處理；基本控製模塊（kuài）的（de）主要作用是程序的啟停、緊急處理等；刀架模（mó）塊主（zhǔ）要是實現選擇（zé）合適的刀架、以及對刀架的定位等邏輯控製功能；主軸模塊（kuài）主要是對主軸的正反轉、主軸定位等（děng）進行控製，並（bìng）通（tōng）過ＰＬＣ的編程實現參數的修改等；警報（bào）模塊主要是機床的故障、人為誤（wù）操作等進（jìn）行檢測並同時給以反饋警報（bào）信息等。該模塊的功（gōng）能實現可以通過一個主程序以及若幹（gàn）的子程序一起完成，實現對機床的各種控製作用（yòng），其主要的子程序（xù）結構，如表（biǎo）１所示（shì）。

數控機床中ＰＬＣ技術的實現的基（jī）礎就是程序指令，相應的指令會將信號和（hé）程序（xù）納入控製（zhì）體係中。ＰＬＣ技術的運用，可以實現整個控製係統的升級以及（jí）改（gǎi）進，在實（shí）際（jì）的運行過程中實現高效率的數控機床控製，並（bìng）對該係統結構進（jìn）行不斷地優化，從而（ér）升級數控（kòng）機床的控製性能。

表１　主要子程序（xù）庫結（jié）構

５、總結

在我國經濟和社會的快速發展中，對數控機床的需求不斷的提高，而ＰＬＣ在數控機床中的應（yīng）用，不僅大（dà）大（dà）的提高了整個係統的生產效率，而且有（yǒu）效的實現數（shù）控機床的自動化控製（zhì），對提高企業（yè）的經濟效益有很大的益處。結合當今數（shù）控係統的特點，要不斷（duàn）地改善ＰＬＣ的功能，特別是完善和改善上位機軟件的功能，以及對數控係統（tǒng）編程語言的進一步統一，這（zhè）些（xiē）問題的解決，會使得我國數控係統性能得到（dào）很大的提（tí）升。

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