PLC在精密磨削控制中的应用
日期：2007-8-16 23:55:32 来源：中国自动化网
点击： 作者：未知
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当今世界上精密加工技术发展很快，新的加工方法和设备层出不穷，计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样。实现精密和超精密切削加工有三种方法：(1)采用和研制高精度加工设备；(2)采用新的切削工具材料；(3)利用加工与测量控制一体化技术。前两种方法成本较高，而后一种方法成本较低，具有广阔的前景。在后一种方法中，除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外，还有一项重要内容就微进给机构的精度及其控制精度。笔者在控制精密磨削的研究中，利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构，在滚珠丝杠确定后，步进电机的控制精度成为了主要矛盾。
1、步进电机的控制
步进电机在不失步的正常运行时，其转角严格地与控制脉冲的个数成正比，转速与控制脉冲的频率成正比。可以方便地实现正反转控制及调整和定位。由于步进电机和负载的惯性，它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动，指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行。因此，必须实现步进电机的自动升降速功能。为了实现速度的变化，输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频些脉冲序列，可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生，也可以由微型计算机产生。对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说，控制逻辑是固定的，即控制电路一经固定，其控制逻辑也就固定了。
如果要改变控制逻辑和控制方案，必须改变电路结构和元件数，而使用计算机控制，不必改动硬件电路，只要修改程序，就可以改变控制方案。且可以从多种控制方案中，选取一种最佳方案进行控制和调节。也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制。利用计算机控制的形式也很多，本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制。
2、PLC系统组成及位控单元的工作原理
本研究所利用的PLC系统的组成包括如下七大模块：电源，CPU，位控单元，I/O单元，A/D，D/A单元，如图1所示。其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机)与电机驱动器联结时，输出脉冲序列控制电机的转速与转角。进给机构可以是2轴型，也可以是4轴型。本文采用的是前者，即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给，如图2所示。具体地说，位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种，如E点控制(单速度控制)，如图3(a)所示；P点控制(多级速度控制)；线性加/减速和S型加/减速，(a)，(b)为线性加/减速，S型如。除此之外还有绝对位置控制和相对位置控制等。表1给出了E点控制不同模式的控制码(P点与其相同)。
图1 PLC系统组成结构图
图2 2轴型位控单元工作原理图
图3 PLC位控单元自动升降速特性曲线
如图4所示，PLC可以控制变频器、传感器、步进电机。总控制程序流程图如图5所示。其中两个步进电机是利用PLC的位控单元控制的。在进行精密磨削过程中，横向进给将是十分重要的，PLC的位控单元能较精确地控制步进电机的转角，从而使滚珠丝杠获得精确定位。由于PLC位控单元的控制方法有多种，对于磨削加工来讲，横向进给量不能大于215μm，通过实验的方法可以找出最佳方案。这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用。首先，设置原点，利用光栅尺粗对刀，测量出对刀位置距原点的距离。为防滚珠丝杠出现爬行现象，工作台从原点出发，经过一段距离以后开始自动加/减速。此时，只要给定起始速度，目标速度，加速/减速时间以及位置要求值，并设 定控制码即可实现上述功能，相关程序如图6所示。如果假设滚珠丝杠的螺距为d，步进电机的步距角为α°；进给速度为v(mm/s)；行程为s(mm)；则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度)为f=360v/αd(Hz)；总脉冲数(即程序中的位置要求值)为F=360s/da(个)
图4 PLC控制磨削加工结构原理图
图5 总控制程序流程图
图6 步进电机S型加/减速程序梯形图
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1、步进电机的控制
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步进电机在不失步的正常运行时，其转角严格地与控制脉冲的个数成正比，转速与控制脉冲的频率成正比。可以方便地实现正反转控制及调整和定位。由于步进电机和负载的惯性，它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动，指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行。因此，必须实现步进电机的自动升降速功能。为了实现速度的变化，输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频些脉冲序列，可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生，也可以由微型计算机产生。对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说，控制逻辑是固定的，即控制电路一经固定，其控制逻辑也就固定了。
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如果要改变控制逻辑和控制方案，必须改变电路结构和元件数，而使用计算机控制，不必改动硬件电路，只要修改程序，就可以改变控制方案。且可以从多种控制方案中，选取一种最佳方案进行控制和调节。也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制。利用计算机控制的形式也很多，本文介绍PLC位控单元对步进电机的控制。
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2、PLC系统组成及位控单元的工作原理
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本研究所利用的PLC系统的组成包括如下七大模块：电源，CPU，位控单元，I/O单元，A/D，D/A单元，如图1所示。其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机)与电机驱动器联结时，输出脉冲序列控制电机的转速与转角。进给机构可以是2轴型，也可以是4轴型。本文采用的是前者，即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给，如图2所示。具体地说，位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种，如E点控制(单速度控制)，如图3(a)所示；P点控制(多级速度控制)；线性加/减速和S型加/减速，(a)，(b)为线性加/减速，S型如。除此之外还有绝对位置控制和相对位置控制等。表1给出了E点控制不同模式的控制码(P点与其相同)。
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图1 PLC系统组成结构图
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表1 E点（P点）控制码
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图2 2轴型位控单元工作原理图
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图3 PLC位控单元自动升降速特性曲线
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3、磨削加工PLC控制原理
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如图4所示，PLC可以控制变频器、传感器、步进电机。总控制程序流程图如图5所示。其中两个步进电机是利用PLC的位控单元控制的。在进行精密磨削过程中，横向进给将是十分重要的，PLC的位控单元能较精确地控制步进电机的转角，从而使滚珠丝杠获得精确定位。由于PLC位控单元的控制方法有多种，对于磨削加工来讲，横向进给量不能大于215μm，通过实验的方法可以找出最佳方案。这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用。首先，设置原点，利用光栅尺粗对刀，测量出对刀位置距原点的距离。为防滚珠丝杠出现爬行现象，工作台从原点出发，经过一段距离以后开始自动加/减速。此时，只要给定起始速度，目标速度，加速/减速时间以及位置要求值，并设 定控制码即可实现上述功能，相关程序如图6所示。如果假设滚珠丝杠的螺距为d，步进电机的步距角为α°；进给速度为v(mm/s)；行程为s(mm)；则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度)为f=360v/αd(Hz)；总脉冲数(即程序中的位置要求值)为F=360s/da(个)
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图4 PLC控制磨削加工结构原理图
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图5 总控制程序流程图
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图6 步进电机S型加/减速程序梯形图
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