基于PLC的数控车床防撞刀系统设计

图3 PLC编程梯形图

　　若X12、X10均处于高电平，同样执行SPD指令，车床Z轴相应的脉冲信号由PLC的X2端子输入，并在1个时基内记数为D3，随后执行CMP比较指令，当D3大于设定的比较常数值K=3时，同样输出M3高电平信号，从而Y1输出高电平。若D3小于设定的比较常数值K=3，则说明Z轴方向处于正常状态，程序结束，进入下一个检测周期。

　　Y1接通后进一步使继电器(带自锁功能)的线圈接通，从而切断X轴、y轴步进电机的脉冲控制信号。当脉冲信号输入被切断时，X轴、y轴步进电机自动进入锁相状态，约1 s后进入半流锁相。Y2用于报警输出。

　　程序设计的一些说明。

　　1)关于高速输入端子。对于选用的FXlN-24M来说，不同输入端子的输入频率上限是不同的：最低的，如X4、X5只有7kE引。如对GSK928TA数控车来说，刀架快速移动的速度设置为3 000mm／min时，此时其对应的数控系统的输出频率为5 333 Hz，并不超过PLC的X4、X5端口的频率上限7 kHz。若数控系统的CPU指令发出的脉冲信号频率超过PLC的X4、X5端口的最高频率7k，其后果只会导致脉冲信号丢失漏记，不会影响到PLC对电机转速或刀具移动速度是否为“快速”的判断。

　　2)关于CMP指令中比较常数K值的设定问题。对于GSK928TA的Z轴，数控车Z轴的脉冲当量为0．01 mm，当快速进给的速度为1 000mm／mim时，即要求在1 min的时间内发出1×105个脉冲，即脉冲频率应为1 777．7 Hz，这样在5 ms内可检测的脉冲个数约为9个。由于切削进给速度一般在150 mm／min以下，此时在时基常数K设定为5 ms的时基内可检测的脉冲个数最多只有2个。考虑留有一定的安全裕度，在这里设定比较常数K值为3，实际过程中可根据实际随时通过修改程序进行调整。

　　X轴基于与Z轴类似的分析，同样设定比较常数K值为3。

　　程序在系统控制试验中运行正确。

 　　接近开关警戒距离的设计

　　当控制系统判别要出现撞刀事故时，此时电机应进行紧急制动。为防止撞刀，显然应要求系统总的制动距离小于警戒距离。接近开关警戒距离主要根据系统总的制动距离来进行设定。

　　系统总的制动距离A由2个因素决定：一是控制系统的响应延时；二是克服执行机构惯性所必须的制动距离。响应延时的大小与具体的控制系统设计息息相关，而制动距离除与惯性大小有关外，还与其制动力矩有很大的关系。下面对此做出进一步的分析。

　　3.1 控制方案响应延时分析

　　所谓响应延时，指的是上述撞刀的2个条件形成后到控制系统作出反应，切断数控系统发出的脉冲指令并对伺服电机进行制动所需要的时间。控制方案的响应时间t_d包括PLC的响应时间幻-及功放电路中锁相延时t_d2。

　　3.1.1 PLC的响应延时tdl

　　把PLC的响应时间分为三大部分，即输入信号滞后延时、PLC的扫描周期及输出信号的滞后延时。

　　1)输入信号滞后延时t1。指的是将外部的输

　　人信号状态读入到PLC的输入寄存器所需要的时间。由于输入的一次回路和二次回路间用光电耦合器进行绝缘隔离，二次回路中设有C—R滤波器。这是为了防止由输入接点振动的或输入线混入噪音，引起误操作而设置的。由于电路中的C—R滤波器滤波常数一般为10 ms，该滤波常数造成在可编程控制器内部响应时间滞后，约为10 ms。

　　2)扫描周期的计算￡。。严格说来，在PLC的实际工作中，每个扫描周期除了输入采样、程序执行、输出刷新之外，还要进行自诊断、与外设(如上位计算机)通信处理。参考图3所示梯形图：程序指令的响应时间为肛s级，这里予以忽略。但由于SPD指令为自动中断指令，系统在执行SPD指令前需自动运行中断子程序。X0、X2由于使用SPD指令中时基的选择为5 ms，所以2个SPD指令所需的中断时间约为10 ms。故程序扫描周期约为10 ms。自诊断所需要的时间为0.96 ms。