摘要：提出了PLC与伺服系统在数控车床的模拟量、数字量控制和位置控制中的综合应用，介绍了三菱公司FX2N系列PLC在数控车床中的应用前景，对车床的运动轨迹进行了讨论，详细阐述了机床控制系统软硬件设计，使机床在加工中精度得以保证。
关键词：PLC  伺服系统  运动轨迹  精度
1、引言
近年来，PLC在工业自动控制领域应用越来越广，它在控制性能，组机周期和硬件成本等方面所表现出的•综合优势是其他工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展，它在位置控制，过程控制，数据处理等方面的应用越来越多。
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础，这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位，因此，世界各工业发达国家均采取各种措施来改进和完善自己的数控技术及其产业。作为制造业中最具广泛代表性的车床，越来越被人们所重视，由于传统的数控车床，大多采用MCS--51单片机、步进电机及继电线路，这种控制方式由于存在继电器线路复杂，故障排除时间长，并存在：①单片机易受外部信号（特别是中高频电源设备的干扰，稳定性差）；②步进电机由于是开环控制，加工精度离散性大，存在着累积误差；③继电线路存在着滞后现象。针对上述问题，在保证加工精度要求的前提下，充分利用现代控制技术来实现数控车床的精确控制。下面就老式简易数控车床改为精车机来浅谈一下。
2、数控方案的组成
数控车床在加工工件时，首先由主轴夹紧工件，然后由主电机驱动旋转，其次是车刀在X、Z平面内作二维运动，其相对位置是由人机界面或计算机(NC)传来的数字量（D或M），经PLC后再由伺服驱动器带动相应的马达作相应的运动，加工出所要求的形状和精度。为使最大限度的节约成本，本机采用了FX2N-80MT PLC这种型号带有2路独立的高速脉冲输出，同时他带有很强的计算，诊断功能，便于机器的轨迹运算和报警管理，同时为使车床能够高效的加工切削工件，主轴采用了无级变速控制，另加一块特殊功能模块D/A（FX2n-20A），其主要硬件布置图（1）

本机采用松下交流伺服驱动器，其型号为MSMA15A/A为型号，其特点如下：
（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
     （2）  定子绕组散热比较方便。
     ⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
     ⑷适应于高速大力矩工作状态。
     ⑸同功率下有较小的体积和重量
一般车床要求工作精度为0.01mm，滚珠丝杆螺距为Pb=10mm，伺服电机旋转编码器分辨率为Pe=25000脉冲/转，X轴Z轴的减速比为1/5，X轴Z轴的脉冲当量为0.0008mm/脉冲，按照以上的设置机床完全能够达到预置的目的。
主轴采用三菱变频器FR-A500具有以下特点：
（1），与PLC通信方便。
（2），速度方式多，调速范围广，能够满足绝大部分工件的切削要求。
（3）控制方式简易，外部接线少。
采用模拟器控制接口。其转速由PC或(NC)上设置，通过PLC的特殊功能模块（D/A），来控制主轴，以达到各种材料的最佳切削转速。
3、PLC控制回路
3.1硬件方面
COM    X0    X1    X2    X3    X4    X5    X6    X7    X10    X11    X12    X13    X14    X15
Fx2n-60MT
COM0    Y0    COM1    Y1    Y2    Y3    Y4    Y5    Y6    Y7    Y10    Y11    Y12    Y13    Y14

注：Xo,X1：手摇脉冲发生器输入；X2：主轴启动。X3：主轴停止；
X4：X轴零点；X5：步进与自动选择；X6：程序结束；
X7：X轴前保护；
X10：X轴后保护；X11：Z轴前保护；X12：Z轴后保护；
X13：急停；X14：X轴零点；X15：Z轴零点；X16：油泵启动;
x17：油泵停止。
COM0：至X轴伺服驱动器公共端；COM1：至Z轴伺服驱动器公共端；
Y0：X轴伺服信号输入；Y1：Z轴伺服信号输入；Y2：主轴正转；Y3：主轴反转；Y4：油泵电机；Y5~Y14：其他输出（辅助装置）。
本文重点阐述伺服圆弧轨迹形成的PLC设计过程和主轴无级变速，对机床其他硬件软件设计不再一一阐述。其部分PLC接线图见上。
3.2相关程序设计与操作
车床显示界面LCD采用松下人机界面，其操作界面运用VC或松下专用编程语言进行，其与PLC的通讯，通过RS232　　422双工位通信，负责把车刀的补偿量，车削数据输入和对不同工件的数据存储、调用等。并按事先编制好的错误提示信息，对故障进行提示辅助排除故障，并且对车刀的运动轨迹进行仿真，需要车削的形状尺寸由LCD中的EEPROM通过RS232C口传送到PLC的EEPROM中存储。
PLC负责对外围设备状态进行采样，并根据采样结果，对照工艺要求，执行相应的动作过程，对于每一工件，每一把刀，分别编制不同的子程序，以便于现场的调试和程序维护、程序设计基本思路，系统的X轴和Z轴各有一个机械原点。程序初始化时，执行一次回原点，然后根据第二次调试的数据设定电气原点，根据机械的正反转间隙补偿量，按照给定的数据进行轨迹运动，完成工件的切削，因车床的许多程序都采用模块化设计。其加工程序图如下图

图3
为了更好的说明，下面就车削中经常用到，又具有典型加工的圆弧加工系统作详细的介绍。
3.3梯形图

见附图

3.4程序解释
在上面的程序中，Do圆弧起点X轴坐标（Xo），D2圆弧终点X轴坐标（Xe），D4　X方向长度（Xe－Xo）　D6　X动点坐标，D10圆弧起点Y轴坐标（Yo），D12圆弧终点Y轴坐标，D14　Y方向长度（Ye－Yo），D16　Y动点坐标。上述程序用逐点比较法进行圆弧插补，是根据动点偏离，圆弧的位置（即偏差）来确定动点的走向，走一步，算一步，逐点比较，使其不离开曲线左右，跟踪圆弧轨迹达到要求的终点。其中在上述程序中MRO为伺服允许动作条件。伺服系统子程序首先判别是否起点和终点相符合，若没有达到终点，则继续判断，来决定X、Z方向伺服电机运动，其中时间为决点，伺服运动的慢快。当一个行程工作完成后，程序跳回到圆弧加工的起始位置，对D0~D30中的数据清零。
4．结束语：
随着计算机技术的发展，PLC功能也不断增强，可靠性不断提高，在旧设备技术更新上应用越来越广泛。
再者，PLC性价比较高，使用方便，编程容易，适用于恶劣工作环境中，对大部分旧设备的技改是可行的。
参考文献
⑴高级维修电工　　上海职业技术培训教研室
⑵可编程序控制器应用指南　　易传禄、韩希尧　编著
⑶SR－20／21／22　　用户手册　　中外合资华光电子有限公司
（4）变频器应用手册 吴忠智 吴加林编著 机械工业出版社

厉害呀