基于PLC的数控车床防撞刀系统设计

　　因PLC运行时不与外设通信，所以通信时间为0。

　　这样运行一个扫描周期t：为上述各项之和，即t2约为11 ms。

　　3)输出信号滞后延时t3。对于继电器输出，其响应时间约为10 ms，而对于晶体管输出，其响应时间在1 ms以下。

　　控制系统的响应延时L。为上述三大部分响应时间的总和，即继电器输出时，响应延时约为32ms，晶体管输出时，响应延时约为23 ms。

　　3.1.2 功放电路中锁相延时t_d2

　　在功放电路中，各个晶体管的开通时间一般在1tds以下，光耦PC上升速度响应时间约为几十微秒，若采用高速光耦则只需几微秒。因此功放电路中锁相延时主要是锁相电流的上升时间，对于步迸电机绕组，锁相电流的上升时间t可由公式(1)计算：

　　式中：i为电机锁相电流，亿为绕组驱动电压，Rα为绕组电阻和限流电阻之和，L为绕组电感。对于GSK928TA的Z轴电机，采用DF3A系列驱动器，其Vα=310 V，R。为3.5 Q，由此可计算得t为0.486 ms。据此估算屯：约为0.5 ms。

　　3.2 步进电机制动距离分析

　　步进电机制动距离与具体电机种类、型号及执行机构惯量等有关，下面以GSK928TA数控车系统的三相反应式步进电机为例分析其制动问题。

　　对于步进电机，当电机转过1相绕组时存入电动机中的磁能为

　　式中：L为相绕组的自感，i为通入绕组中的电流。

　　制动过程刚好与启动过程相反，因此，从理论上说可以参照启动的分析去处理，即若步进电机处于单相锁相制动时，转子每转过一个齿角，即就会消耗“转子”(包括电机转子及其连接部件，下同)W的能量。根据能量守恒原理，分析步进电机的制动距离，可以考虑从脉冲指令被截止后“转子”的能量需要转过几个齿角才能被消耗完来求得。

　　根据能量守恒原理可得：

　　3.3 车刀总制动距离的计算

　　若考虑控制系统的响应延时，则车刀总的制动距离A为：

　　根据式(6)，以GSK928TA数控车Z轴为例，步进电机型号110BC3100C。

　　转子齿数Z为100，定子每相绕组电感L为18mH，锁相电流i=8 A，丝杆螺距S-6 mm。工作台重量Mg为140 kg，电机转子及执行机构的转动惯量td=1.73×10-4kg·m2。根据3.1控制方案响应延时分析，系统控制方案响应延时幻约为32.5 ms(继电器输出)，若车刀速度Vf=2 000 mm／min时，车刀总制动距离A=3.7 mm。

　　上述对于步进电机在出现撞刀事故时总制动距离的分析，对于接近开关警戒距离的设计可起到理论指导作用。

4 结语

　　防撞刀控制系统的设计主要应用于新程序或数控技术人员的培训中，改装方便，只需在安装车刀时套人接近开关线圈即可。实践中可灵活使用，当确认机床操作无危险时，只须关断PLC电源，防撞刀系统停止工作，不会对机床的正常使用有任何影响。

　　若从经济角度考虑，还可以使用一台PLC同时控制若干台车床的防撞刀系统，当然这样会导致控制系统响应时间加长.另外，由于步进电机有在高频下刹车丢步的特性，在实际应用中应加以注意，即每次出现撞刀状态而导致程序运行中断时，应通过车床复位键复位，并重新设定程序零点。