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1 引言
在機械加工時，定位控制系統(tǒng)一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔和鏜孔的數(shù)控機床）。定位控制系統(tǒng)僅控制刀具相對于工件的定位，由一個定位點向另一個定位點。用全功能數(shù)控系統(tǒng)來實現(xiàn)定位控制功能，這種系統(tǒng)雖然功能十分完善，但其價格十分昂貴，而且，對于中低檔數(shù)控機床來說，許多功能對定位控制來說是多余的。如果采用單片機來實現(xiàn)定位控制，需要進行復(fù)雜的二次開發(fā)，設(shè)計硬件電路時，除了微機系統(tǒng)外，還要設(shè)計接口電路、抗干擾電路及驅(qū)動電路，設(shè)計軟件時，要求掌握微機原理及微機的指令系統(tǒng)，并且具有程序開發(fā)能力[1]。
PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計的一種工業(yè)控制計算機，采用面向用戶的指令，編程方便。近年來，PLC在傳統(tǒng)的對開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上，又增加了數(shù)字運算及對模擬信號處理的能力[2]。這給PLC的應(yīng)用帶來了巨大的發(fā)展前景，PLC驅(qū)動步進電機實現(xiàn)點位控制，硬件電路設(shè)計簡單、方便、快捷，編程時，只要熟悉PLC的指令即可。
2 用PLC實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的定位控制存在的問題
在定位控制系統(tǒng)中，刀具或工件移動過程中不進行切削，為了減少輔助時間，提高工作效率，要求快速移動，而在接近定位點時，為了保證定位精度則要降低速度。同時，步進電機的啟動是一個加速的過程，為了維護步進電機及驅(qū)動設(shè)備，要求驅(qū)動脈沖頻率也線性增大。
PLC以循環(huán)掃描的方式工作，PLC循環(huán)掃描一次所需的時間稱為掃描周期。PLC運行正常時掃描周期的長短與CPU的運算速度，與I/O點的情況，與用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況有關(guān)。通常用PLC執(zhí)行1KB指令所需的時間來描述掃描速度（一般為1~10ms/KB）[3]。如果采用傳統(tǒng)的掃描方式來產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，則要求PLC掃描頻率要比步進電機工作頻率大一個數(shù)量級[4]，才不會導(dǎo)致步進電機出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以步進電機只能在極低的頻率下工作。這樣顯然不滿足快速定位的要求。綜上所述，問題的關(guān)鍵就是要實現(xiàn)步進電機的軟啟動和快速而精確的定位功能。
3 系統(tǒng)方案設(shè)計
目前，世界上已有200多個廠家生產(chǎn)PLC，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，新型器件大幅度的性能提升，PLC的功能不斷增加，已將原來大中型PLC才有的功能部分的移植到小型PLC上，如模擬量處理，數(shù)據(jù)通信，高速輸入輸出以及數(shù)學(xué)計算功能[5]，而價格卻不斷下降。考慮數(shù)控機床定位系統(tǒng)的實際工作情況以及我國對PLC的應(yīng)用現(xiàn)狀，這里決定采用SIMATIC S7-200系列小型晶體管輸出型可編程控制器（PLC）主機，以滿足高速輸出的頻率要求。
SIMATIC S7-200系列PLC的高速脈沖輸出功能是指在PLC某些輸出端產(chǎn)生高速脈沖，用來驅(qū)動負載實現(xiàn)精確控制。高速脈沖輸出有高速脈沖串輸出（PTO）和寬度可調(diào)（PWM）脈沖輸出兩種方式，脈沖周期變化范圍是50～65 535us或2～65 535ms，為16位無符號數(shù)據(jù)；脈沖數(shù)用雙字無符號數(shù)表示，取值范圍是1～4 294 967 295之間。其輸出不受PLC掃描周期的影響[3]，這樣可以滿足數(shù)控系統(tǒng)精確定位的要求。
每種PLC主機最多可提供2個高速脈沖輸出端，即Q0.0和Q0.1，一般包括在數(shù)字量映像寄存器編號范圍內(nèi)，如果Q0.0和Q0.1在程序執(zhí)行時用作高速脈沖輸出，其通用功能被自動禁止。每個高速脈沖發(fā)生器對應(yīng)一定數(shù)量的特殊寄存器，包括控制字節(jié)寄存器，狀態(tài)字節(jié)寄存器和參數(shù)數(shù)值寄存器，它們用以控制高速脈沖輸出形式，反映輸出狀態(tài)和參數(shù)值。各寄存器功能表如表1所示[3]。
由已知條件可知可選定Q0.0為脈沖輸出端，工作模式為PTO方式，并且確定為多段模式。
表1 相關(guān)寄存器的功能表
4 應(yīng)用實例
在本控制系統(tǒng)中，設(shè)刀具或工作臺起始位置在A點，現(xiàn)欲從A點移至D點，其中AD=100mm，定位精度只與步進電機脈沖當(dāng)量有關(guān)，取脈沖當(dāng)量為0.01mm/步，則需10 000步完成定位。步進電機運行過程中，要從A點加速到B點后恒速運行，又從C點開始減速到D點完成定位過程，如圖1所示[5]。
圖1 步進電機工作過程
由此可確定PTO為3段脈沖管線（AB，BC和CD段）。設(shè)最大脈沖頻率為10kHz，將2#10100000寫入控制字節(jié)SMB67，允許多段PTO脈沖輸出，時基為us級。建立3段脈沖的包絡(luò)表并對各段參數(shù)分別設(shè)置，給定段的周期增量按下式計算[3]：
給定段的周期增量=（Tec-Tic）/Q;
式中Tec為該段結(jié)束周期時間；Tic為該段初始周期時間；Q為該段的脈沖數(shù)量。
包絡(luò)表結(jié)構(gòu)如表2所示。將包絡(luò)表的起始變量V存儲器地址裝入SMW168中。高速輸出完成時，調(diào)用中斷子程序，點亮信號燈（本例中使用Q0.2端子）。
表2 包絡(luò)表內(nèi)容
本系統(tǒng)主程序,初始化子程序，包絡(luò)表子程序和中斷子程序如圖2所示[3]。
圖2 數(shù)控定位系統(tǒng)梯形圖
注：fig 2.1為主程序，fig 2.2為初始化子程序SBR_0，
fig 2.3為中斷程序INT_0，fig 2.4為包絡(luò)表子程序SBR_1。
5 結(jié)語
本論文詳細分析了用PLC來實現(xiàn)數(shù)控定位功能的方法的可行性，并且給出了應(yīng)用實例。對于二維定位系統(tǒng)可采用Q0.0和Q0.1同時輸出高速脈沖，使兩軸聯(lián)動達到定位目的[7]，同時使用JUMP指令來實現(xiàn)不同的定位方式[8]。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號