PLC在数控机床的应用以及CNC、PLC、伺服电机控制过程

一般数控机床标配有主轴，伺服轴，PLC轴也即是辅助轴。而与之相应的控制系统是CNC，PLC，变频器，伺服和电机。所以讲到PLC在数控机床上的应用就不得不联系到CNC，变频器，伺服和电机。他们是一个系统工程，一个有机的整体。 一．随着工业控制的需要及技术的发展传统的PLC（可编程可编程逻辑控制器）正在发生质的变化，有将PLC与CNC合二为一的PAC（programmable automuton cotrollor）的方向发展。使PLC不仅具有逻辑运算，算术运算，定时，计数及顺序控制，还可以提供数据传送，矩阵处理，PID调节、SSAII码操作、远程I/O、运动控制、网络通信等高级功能，还可以使用高级语言（C语言、BASIC语言）编写子程序嵌入PLC程序中运行。实质上是一种专业控制计算机。通过PLC提供的宏参数和CNC系统参数可在PLC和零件加工程序之间传递信息，???以完成某些特定功能。即PLC已经渗透到零件加工程序的编辑中去。 单独的PLC已经可以完成全部的CNC功能，这已经成为现实。但就目前而言，PLC主要还是在数控系统配置机床上时起一个“接口”作用，包括MST功能，诊断功能等，这种功能正在不断扩大。 PLC在数控系统的实现目前也有好几种方案： 方案一：通用PLC带数控功能 这对于需要逻辑控制又需要相对简单的位置控制的用户来说是一个很好的选择，无论是成本和开发都有很多优势，不过通用型的PLC大多没有联动和插补指令（部分产品有），并且不支持G代码，无法与CAD软件进行接口。 方案二：专用的数控系统 这种系统有很多使用PLC的平台加DSP加FPGA实现，高档的这种系统可以与CAD软件无缝联接，从CAD导出来的G代码在经过编缉或者不需要编缉下载到控制器内就可以做出各种对应的动作出来。该种系统对于多轴联动控制和插补G代码均有很强的支撑能力，同时一般带有显示，可以在运行时同步在显示屏上显示运动的轨迹。 方案三：IPC+数控板卡 这是国内数控厂商的主要形态，有灵活性高的优点，但很多系统不支持标准的G代码，而是要用户使用C、C++语言或者VC去编写对应的控制程序，由板卡厂商提供函数库。当然目前大多数情况下是由数控厂商代用户完成这一部分的编程。 这种开发方式的优点是显而易见的，厂商的开发成本低，灵活度高，但是需要厂商提供相当多的技术支持，如果客户数量大后很难有足够的支持能力，所以这类厂商大多都在开发通用的数控平台，并仍然使用IPC平台在上面开发通用型的数控系统。 　　在中、高档数控机床中，PLC是CNC装置的重要组成部分。其作用是：接收来看零件加工程序的开关功能信息（辅助功能M、主轴转速功能S、刀具功能T）、机床操作面板上的开关量信号及机床侧的开关量信号，进行逻辑处理，完成输出控制功能，实现各功能及操作方式的联锁。 　　PLC有两种类型，即内装型和独立型。 　　PLC除了在CNC中使用外，还广泛用于治金、机械、石油化工、能源交通乃至娱乐等各行业。 　　1.PLC的应用类型 　　（1）顺序控制和开关逻辑控制类型。这是最基本控制方式，已取代了传统的继电器逻辑控制，用于单机、多机群控和生产自动线。它首先对输入的开关量或模拟量进行采样，然后按用户编制的顺序控制程序进行运算，再通过输出电路去驱动执行机构实现顺序控制。 　　（2）一个具有PID（比例、微分、积分）控制能力的PLC可用于过程控制，把变量保持在设定值上。 　　（3）组合数字控制类型。在机械加工中，将具有数据处理功能的PLC和CNC组成一体，实现数字控制。 　　（4）组成多级控制系统类型。在分层分布式控制的全自动化系统，如PMC、FMS、CIMS中，基层由中小型PLC和CNC等控制设备组成，中层由大型PLC进行单元控制与监督，上层由上位计算机做总体管理。PLC之间、PLC与上级计算机之间采用快速光纤数字通信。为适应多任务、多微处理器并进处理，实现实时控制，协调梯形图和BASIC程序之间的相互关系，以及位、字处理和I/O中断处理，还增设有联机文件管理和对执行出错的恢复等功能。 　　（5）控制机器人的类型。选用PLC可对具有3-6个自由度的机器人进行控制。 　　2.PLC在位置控制中的应用。PLC制造厂商提供驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。用户只需通过PLC向位置控制模块设置参数及发出某种命令，位置控制模块即可根据来自现场的监测信号和PLC的命令来调整控制输出，移动一轴或数轴到达目标位置，实现准确定位。当每个轴移动时，位置控制模块能使其保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。 　　位置运动的编程可用PLC语言完成，通过编程器输入。用程序设定速度和加速度参数，控制系统可自动实现阶梯式加减速。可多点定位，并有原点补偿和间隙补偿功能，提高定位精度。可进行手动操作，实现高速点动、低速点动或微动。 　　PLC的位置控制，特别适用于机床的点位直线伺服控制，常称为辅助坐标运动控制 CNC装置和机床之间的信号传送处理两个过程： （一）、CNC装置→机床： CNC装置®CNC装置的RAM ®PLC的RAM中。 PLC 软件对其RAM中的数据进行逻辑运算处理。 处理后的数据仍在PLC的RAM中， 对内装型PLC，PLC将已处理好的数据通过CNC的输出接口送至机床； 对独立型PLC，其RAM中已处理好的数据通过PLC的输出接口送至机床。 （二）、机床→CNC装置 对于内装型PLC，信号传送处理如下： 从机床输入开关量数据®CNC装置的RAM ® PLC的RAM。 PLC的软件进行逻辑运算处理。 处理后的数据仍在PLC的RAM中，同时传送到CNC装置的RAM中。 CNC装置软件读取RAM中数据。 对于独立型PLC，输入的第一步，数据通过PLC的输入接口送到PLC的RAM中，然后进行上述的第2步，以下均相同 二．接下来是运动过程控制 伺服或者变频器接受CNC，PLC命令，分别控制电压进而控制转速，控制频率来控制转速。 联系到主轴驱动系统和进给伺服系统及执行元件电机等。 1，比较一下变频主轴和伺服主轴的区别。伺服主轴的起停性能好，低速扭矩大，在进行很好的速度控制还能进行较准确的主轴停止位置的控制（主轴定位），但价格较高。 　　 而一般的变频主轴只能进行主轴的旋转速度的控制，且它的低速度扭矩小，电机不能在较低的速度下进行工作，如需要进行低速加工则要通过减速箱来实现，起停时间一般都较长。 这是两种不同的控制系统,前者是随动系统,后者是调速系统。 还有一般的数控机床大多会用变频主轴,一是因为相对而言价格较低,二是容易实现高速和大功率.当然,也满足大多数加工要求. 　　 另变频主轴也可进行对主轴的定位控制,刚性功丝等也可实现.主要是看所选主轴电机及变频器. 主轴电机带编码器,变频器加PG反馈脉冲卡就可实现.当然效果肯定是没有伺服主轴来得好.国内中心机大多这样做。 2．变频技术： 简单的变频器只能调节交流电机的速度，这时可以开环也可以闭环要视控制方式和变频器而定，这就是传统意义上的V/F控制方式。现在很多的变频已经通过数学模型的建立，将交流电机的定子磁场UVW3相转化为可以控制电机转速和转矩的两个电流的分量，现在大多数能进行力矩控制的著名品牌的变频器都是采用这样方式控制力矩，UVW每相的输出要加摩尔效应的电流检测装置，采样反馈后构成闭环负反馈的电流环的PID调节；这样可以既控制电机的速度也可控制电机的力矩，而且速度的控制精度优于v/f控制，编码器反馈也可加可不加，加的时候控制精度和响应特性要好很多。 伺服系统：（1）伺服驱动器 在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环（变频器没有该环）都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比传统的伺服强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。通过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置（当然也有些伺服内部集成了控制单元或通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里），驱动器内部的算法和更快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之更优越于变频器。（2）电机方面 伺服电机的材料、结构和加工工艺要远远高于变频器驱动的交流电机（一般交流电机或恒力矩、恒功率等各类变频电机），也就是说当驱动器输出电流、电压、频率变化很快的电源时，伺服电机就能根据电源变化产生响应的动作变化，响应特性和抗过载能力远远高于变频器驱动的交流电机，电机方面的严重差异也是两者性能不同的根本。就是说不是变频器输出不了变化那么快的电源信号，而是电机本身就反应不了，所以在变频的内部算法设定时为了保护电机做了相应的过载设定。当然即使不设定变频器的输出能力还是有限的，有些性能优良的变频器就可以直接驱动伺服电机！ 3．还有交流伺服和交流变频的区别其实只在于控制指标，包括稳态精度和动态性能。 先说稳态精度：交流伺服的执行单元是永磁同步电机（也有人把无刷直流系统叫做交流伺服，其原理如图： 但电机大体上与同步电机差不多，只是控制方法不同），它的特点是同步，就是说，当控制电机定子磁场的强度和矢量方向后，外力是难以改变转子（动子）的相对位置的，在额定力矩以内，无论外力怎样变化，转子都会自动产生一个回归力，一旦扰动撤消，转子矢量即回归原位。变频器不然，电机转子对定子的相对位置没有记忆，扰动后不能回位。即使加装位置传感器做位置闭环，变频器仍不能和伺服相比。原因是，在位置-速度-力矩三闭环中，变频器实现速度闭环指标比伺服差多了。不过，现在新出来的普通异步电机的伺服控制方案中，采用磁场行波控制，异步电机伺服控制也不是难事，指标也很高。不过驱动