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1 引言
在機(jī)械加工時(shí)，定位控制系統(tǒng)一般用在孔加工機(jī)床上（例如鉆孔、鉸孔和鏜孔的數(shù)控機(jī)床）。定位控制系統(tǒng)僅控制刀具相對(duì)于工件的定位，由一個(gè)定位點(diǎn)向另一個(gè)定位點(diǎn)。用全功能數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位控制功能，這種系統(tǒng)雖然功能十分完善，但其價(jià)格十分昂貴，而且，對(duì)于中低檔數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，許多功能對(duì)定位控制來(lái)說(shuō)是多余的。如果采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位控制，需要進(jìn)行復(fù)雜的二次開發(fā)，設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，除了微機(jī)系統(tǒng)外，還要設(shè)計(jì)接口電路、抗干擾電路及驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)軟件時(shí)，要求掌握微機(jī)原理及微機(jī)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，采用面向用戶的指令，編程方便。近年來(lái)，PLC在傳統(tǒng)的對(duì)開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上，又增加了數(shù)字運(yùn)算及對(duì)模擬信號(hào)處理的能力[2]。這給PLC的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的發(fā)展前景，PLC驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便、快捷，編程時(shí)，只要熟悉PLC的指令即可。
2 用PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的定位控制存在的問(wèn)題
在定位控制系統(tǒng)中，刀具或工件移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削，為了減少輔助時(shí)間，提高工作效率，要求快速移動(dòng)，而在接近定位點(diǎn)時(shí)，為了保證定位精度則要降低速度。同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)是一個(gè)加速的過(guò)程，為了維護(hù)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備，要求驅(qū)動(dòng)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(shí)間稱為掃描周期。PLC運(yùn)行正常時(shí)掃描周期的長(zhǎng)短與CPU的運(yùn)算速度，與I/O點(diǎn)的情況，與用戶應(yīng)用程序的長(zhǎng)短及編程情況有關(guān)。通常用PLC執(zhí)行1KB指令所需的時(shí)間來(lái)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(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，則要求PLC掃描頻率要比步進(jìn)電機(jī)工作頻率大一個(gè)數(shù)量級(jí)[4]，才不會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以步進(jìn)電機(jī)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(wèn)題的關(guān)鍵就是要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的軟啟動(dòng)和快速而精確的定位功能。
3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
目前，世界上已有200多個(gè)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(lái)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(jì)算功能[5]，而價(jià)格卻不斷下降。考慮數(shù)控機(jī)床定位系統(tǒng)的實(shí)際工作情況以及我國(guó)對(duì)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(jī)，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(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載實(shí)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(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)；脈沖數(shù)用雙字無(wú)符號(hào)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(jī)最多可提供2個(gè)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(hào)范圍內(nèi)，如果Q0.0和Q0.1在程序執(zhí)行時(shí)用作高速脈沖輸出，其通用功能被自動(dòng)禁止。每個(gè)高速脈沖發(fā)生器對(duì)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(shí)例
在本控制系統(tǒng)中，設(shè)刀具或工作臺(tái)起始位置在A點(diǎn)，現(xiàn)欲從A點(diǎn)移至D點(diǎn)，其中AD=100mm，定位精度只與步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，要從A點(diǎn)加速到B點(diǎn)后恒速運(yùn)行，又從C點(diǎn)開始減速到D點(diǎn)完成定位過(guò)程，如圖1所示[5]。
圖1 步進(jìn)電機(jī)工作過(guò)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(shí)基為us級(jí)。建立3段脈沖的包絡(luò)表并對(duì)各段參數(shù)分別設(shè)置，給定段的周期增量按下式計(jì)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(shí)間；Tic為該段初始周期時(shí)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(chǔ)器地址裝入SMW168中。高速輸出完成時(shí)，調(diào)用中斷子程序，點(diǎn)亮信號(hào)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(yǔ)
本論文詳細(xì)分析了用PLC來(lái)實(shí)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(shí)例。對(duì)于二維定位系統(tǒng)可采用Q0.0和Q0.1同時(shí)輸出高速脈沖，使兩軸聯(lián)動(dòng)達(dá)到定位目的[7]，同時(shí)使用JUMP指令來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的定位方式[8]。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)