一、摘要： 數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用了電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)控制與自動(dòng)檢測等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成就而發(fā)展起來的，目前在許多領(lǐng)域尤其是在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。 本文提出了利用人機(jī)界面和PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的有關(guān)見解與方法，介紹了控制系統(tǒng)方案及軟硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。對于工礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)床改造具有較高的應(yīng)用與參考價(jià)值。 二、關(guān)鍵詞： 人機(jī)界面 PLC 步機(jī)電機(jī) 步機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 三、前言： 數(shù)控系統(tǒng)按其控制方式劃分有點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。在機(jī)械加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的點(diǎn)位控制一般用在孔加工機(jī)床上（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的機(jī)床），其特點(diǎn)是，機(jī)床移動(dòng)部件能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，即準(zhǔn)確控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，但并不考慮其運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制的通常方法可以有： 1、采用全功能的數(shù)控裝置。這種裝置功能十分完善，但其價(jià)格卻很昂貴，而且許多功能對點(diǎn)位控制來說是多余的； 2、采用單片機(jī)控制。這種方法除了要進(jìn)行軟件開發(fā)外，還要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路，特別是要考慮工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。 3、采用可編程邏輯控制器控制。 由于可編程控制器（PLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置。 四、正文： PLC（Programmable Logical Controller）通常稱為可編程邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，由于它擁有體積小，功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和它的高可靠性，使它的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)被稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱（即PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。 人機(jī)界面是在操作人員和機(jī)器設(shè)備之間做雙向溝通的橋梁，用戶可以自由的組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理及應(yīng)付隨時(shí)可能變化的多功能顯示屏幕。隨著機(jī)械設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面由熟練的操作人員才能操作，而且操作困難，無法提高工作效率。但是使用人機(jī)界面能夠明確指示并告知操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，使操作變得簡單生動(dòng)，并且可以減少操作上的失誤，即使是新手也可以很輕松的操作整個(gè)機(jī)器設(shè)備。使用人機(jī)界面還可以使機(jī)器的配線標(biāo)準(zhǔn)化、簡單化，同時(shí)也能減少PLC控制器所需的I/O點(diǎn)數(shù)，降低生產(chǎn)的成本。同時(shí)由于面板控制的小型化及高性能，相對的提高了整套設(shè)備的附加價(jià)值。 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 1、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)： 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示，整套電器系統(tǒng)由三部分組成:（1）操作部分（人機(jī)界面）:用于操作、設(shè)置機(jī)床運(yùn)行狀況、故障報(bào)警;（2）控制部分PLC）:主要控制機(jī)床的定位;（3）執(zhí)行部分（步機(jī)電機(jī)及步機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）。 [align=center][IMG=人機(jī)界面和PLC在機(jī)床改造的應(yīng)用]/uploadpic/tech/2008/4/2008040815215947805T.jpg[/IMG] 圖 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖[/align] 2、硬件的選擇： 1）、人機(jī)界面的選擇的原則：現(xiàn)在市場上的人機(jī)界面基本上都能實(shí)現(xiàn)以下功能： 指示燈（PLCI/O顯示、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)顯示、多段指示燈等）； 開關(guān)（位狀態(tài)型開關(guān)、多段開關(guān)、切換窗口開關(guān)等）； 各種動(dòng)態(tài)圖表（棒圖、儀表、移動(dòng)元件、趨勢圖等）； 數(shù)據(jù)顯示（數(shù)值顯示、ASCII顯示、文字顯示等）； 數(shù)據(jù)輸入（數(shù)值輸入、ASCII輸入、文字輸入等）； 異常報(bào)警（報(bào)警顯示、跑馬燈顯示、事件顯示等）； 靜態(tài)顯示（直線、圓、矩形、文字等） 基于在性價(jià)比方面的特點(diǎn)，在本機(jī)床作者選擇了臺(tái)灣威綸通的MT506T/C。 2）|、PLC 選擇的原則：在PLC選型是時(shí)主要是根據(jù)所需功能和容量進(jìn)行選擇，并考慮維護(hù)的方便性，備件的通用性，是否易于擴(kuò)展，有無特殊功能要求等。 （1）、PLC輸入/輸出點(diǎn)確定：I/O點(diǎn)數(shù)選擇時(shí)要留出適當(dāng)余量； （2）、PLC存儲(chǔ)容量：系統(tǒng)有模擬量信號(hào)存在或進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理時(shí)容量應(yīng)選擇大些； （3）、輸出繼電器類型一定是晶體管（只有晶體管輸出類型的PLC才能輸出高速脈沖）； （4）定位和脈沖輸出功能：一個(gè)PLC單元中每相能同時(shí)輸出2點(diǎn)100KHz脈沖。 （5）、PLC配備特殊的定位指令，包括零返回、絕對值讀出、絕對或相對地址表達(dá)方式以及特殊脈沖輸出控制。 在本機(jī)床上，作者選擇了三菱的小型PLC。型號(hào)為：FX1S-14MT。 3）、步機(jī)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇的原則： （1）、確定步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩； （2）、確定步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速； （3）、最后還要考慮留有一定的（如30%）力矩量和轉(zhuǎn)速量。 （4）、根據(jù)以上指標(biāo)，再考矩-頻特性，就可以選擇出適合自己步進(jìn)電機(jī)。 （5）、選擇步機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，必須跟電機(jī)相配套。 （6）、盡量選取細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器，且使驅(qū)動(dòng)器工作在細(xì)分狀態(tài)。 不同廠家的電機(jī)在設(shè)計(jì)、使用材料及加工工藝方面差別很大，選用步進(jìn)電機(jī)應(yīng)注重可靠性而輕性能、重品質(zhì)而輕價(jià)格。最好采用同一生產(chǎn)廠家的控制器、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。這樣便于最終的維護(hù)。 在本機(jī)床上，作者選擇了斯達(dá)特的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)型號(hào)為：110BYG350A；驅(qū)動(dòng)器為其電機(jī)配套的型號(hào)MS-3H110M。 3、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 1）、人機(jī)界面組態(tài)畫面設(shè)計(jì) 不同品牌的人機(jī)界面的軟件操作都有其各自的特點(diǎn)，所以在使用時(shí)一定要掌握其軟件特點(diǎn)。軟件一般提供了多種控件和圖形庫文件，可組態(tài)出各種顯示和控制功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作狀態(tài)，當(dāng)前過程值及故障的可視化。利用人機(jī)界面操作被監(jiān)控系統(tǒng)，對PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，記錄，也可以設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)畫面來模擬控制過程，從而滿足監(jiān)控要求。 機(jī)床（例如鉆孔、鉸孔、鏜孔的機(jī)床）的操作上每種類型都有一點(diǎn)不同的操作方法，所以在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)上都有不同,但一般應(yīng)有下面幾個(gè)界面： （1）、主界面：機(jī)床的主要操作或其它界面的調(diào)動(dòng)。如下圖2示 [align=center] 圖2[/align] （2）、參數(shù)設(shè)置界面： 用戶顯然希望當(dāng)現(xiàn)場條件發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的某些控制參數(shù)能作相應(yīng)的修改，例如工件前進(jìn)的距離，速度的調(diào)整等。為滿足生產(chǎn)的連續(xù)性，要求對控制系統(tǒng)可變參數(shù)的修改應(yīng)在線進(jìn)行。 （3）、手動(dòng)操作界面：用戶調(diào)試機(jī)床時(shí)要機(jī)床的某一個(gè)部件單獨(dú)動(dòng)作時(shí)的操作界面。 （4）、故障報(bào)警界面：當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)在人機(jī)界面上顯示出相對應(yīng)的故障代碼，使用戶據(jù)此迅速判斷出故障原因。 （5）、幫助頁面的設(shè)計(jì)：考慮到工業(yè)現(xiàn)場的需要，在頁面設(shè)計(jì)時(shí)，增加了大量幫助頁面，包括機(jī)床的維護(hù)，系統(tǒng)的使用，參數(shù)的設(shè)置等。 為節(jié)省篇幅，這里只介紹了主畫面，其它內(nèi)容的程序設(shè)計(jì)思路見參考文獻(xiàn)。 設(shè)計(jì)完畢后經(jīng)編譯無誤，從個(gè)人電腦中下載到人機(jī)界面,如果與PLC的通信能正常進(jìn)行，并且PLC側(cè)相應(yīng)的程序也正確無誤，則即可使用。 2）、PLC程序設(shè)計(jì)： 根據(jù)控制及流程要求，利用三菱簡潔而強(qiáng)大的PLC編輯軟件，對應(yīng)輸入、輸出開發(fā)相應(yīng)應(yīng)用程序。（采用步進(jìn)的方式來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)械的所有邏輯動(dòng)作）同時(shí)連接PLC與外部設(shè)備連線；將編制完成的程序?qū)懭隤LC中，模擬運(yùn)行，進(jìn)行調(diào)試及修改；在模擬調(diào)試成功后，接入現(xiàn)場實(shí)際控制系統(tǒng)中進(jìn)行再次調(diào)試，直至完全通過為止。 在此項(xiàng)工程上，作者將PLC程序分了幾個(gè)部分來編寫，下圖是PLC程序的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可供讀者參考。 [align=center] 圖3 [/align] 工程的軟件系統(tǒng)是采用了PLC的程序和人機(jī)界面的畫面設(shè)計(jì)相互配合來完成系統(tǒng)的功能。在整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程中，最明顯的特點(diǎn)PLC程序是用了標(biāo)志位，將各部分程序分開，達(dá)到更好的效果。 4、脫機(jī)調(diào)試 為了縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間，在安裝之前先進(jìn)行脫機(jī)調(diào)試。首先用下載線分別下載程序到PLC和人機(jī)界面，再用通信線RS-422把PLC和人機(jī)界面相連，上電檢查PLC和人機(jī)界面能否正常通信。在調(diào)試中，遇到了通信出錯(cuò)的情況，通過改變PLC和人機(jī)界面的通信參數(shù)，最后使它們能夠正常通信。并能正確顯示功能代碼的值。最后，把按系統(tǒng)要求編制的程序下到PLC和人機(jī)界面里，PLC的輸入接上開關(guān)量進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試通過。 5、現(xiàn)場調(diào)試 在脫機(jī)調(diào)試通過之后，進(jìn)行帶負(fù)荷，也就是帶電機(jī)后的試運(yùn)行調(diào)試。看步進(jìn)電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，運(yùn)行時(shí)有沒有出現(xiàn)失步和誤差 ，定位精度與提高定位速度時(shí)機(jī)床的精度如何等。 五、結(jié)束語 系統(tǒng)試驗(yàn)表明，本文提出的應(yīng)用人機(jī)界面和PLC控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)點(diǎn)位控制功能的方法能滿足控制要求，所研制的控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可應(yīng)用于工礦企業(yè)的相關(guān)機(jī)床改造,并在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。經(jīng)過長期運(yùn)行表明，控制精度高，運(yùn)行可靠，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減小了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 參考文獻(xiàn)及資料： （1）、王侃夫. 數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)與系統(tǒng)：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.01 （2）、于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社.2004 （3）、EasyBuilder 500 使用手冊 （4）、斯達(dá)微步控制有限公司步機(jī)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器使用手冊 作者簡介 姓名：黃景良 單位：廣東省江門市高級(jí)技工學(xué)校 職業(yè)：技能指導(dǎo)教師 E-MAIL：Y2KHJL@21CN.COM或CEO@JFLJC.COM 聯(lián)系電話：13322883421 聯(lián)系地址：廣東省江門市江北路一號(hào) 江門市高級(jí)技工學(xué)校電子電工實(shí)習(xí)教研組 簡歷： 2001年廣東工業(yè)大學(xué)畢業(yè)后進(jìn)入江門市高級(jí)技工學(xué)校從事電氣工程及其自動(dòng)化技能教學(xué)。