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 2 防撞刀系统控制方案

　　控制系统的设计可以利用PLC来实现。PLC是一种成熟的工业控制产品，内部有良好的光电隔离装置，抗干扰能力强，可靠性高，灵活性好，其接线与参数修改方便，对现场不同的实际情况可以及时地作出调整。

　　PLC控制系统选用FXlN-24M，其参数与性能为：14个输入点，其中X0～X5这6个端子为高速输入端子，10个输出点。单步步速0.55μs～0.7μs，应用指令数～数步速约为100 bts，继电器输出。根据控制要求，设计PLC的控制流程如图2所示。

图2 PLC控制流程图

　
PLC控制的梯形图如图3。接近开关检测信号由X10输入，X轴、y轴方向信号的高低电平分别由X11、X12端口输入。若X11、X10均处于高电平时，认为工件处于接近开关警戒距离，且车刀向工件方向运动，此时执行SPD指令，检测车床X轴速度。数控系统发出的脉冲信号由PLC的X0端子输入，并在1个时基内记数为DO，随后执行CMP比较指令，当DO大于设定的比较常数值K=3时，系统判别车刀速度为快速移动，数控车床处于要撞刀状态，输出M0高电平信号，并转跳到P20，从而Y1输出高电平。若DO小于设定的比较常数值K=3，则说明X轴方向处于正常状态，程序继续往下运行。

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：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*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。

　　　3.1.2 功放电路中锁相延时td2

　　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

 此程序默认的PLC通讯端口为port0，地址为2，波特率9600，无校验(地址和波特率可由程SBR0中的VB8，SMB30进行修改)；2)由于PLCModbus协议程序占用V1000及以前的地址，所以用户在编写逻辑控制程序中用到的寄存器不能和亚控提供的协议中所占用的V区地址冲突；3)西门子S7—20。
控制网的通讯是基于一种全新的通讯模式：生产者/消费者通讯模式。工业控制要求控制网络提供越来越高的生产率、更高的系统性能，同时又提供确定性的、可重复的、可估计的设备间通讯。单纯提高波特率或单纯提高协议效率，都不能从根本上解决问题。传统的网络通讯模型是源/目的型或者称点到点的通讯方式，这种方式的优点是通讯的内容和形式都十分明确，在传送的报文中都包含了明确的源和地址信息，但是在源/目的网络模式下，当同一数据源上的数据向网络上其它多个节点发送数据时，必须经过多次才能实现，这就大大增加了网络的负担，降低了通讯的效率。另外，由于数据到达不同网络节点的时间可能因网络上节点数目的不同而变化，不同节点之间的同步就变得困难，通讯的实时性不能得到保障。

 1、软故障的判断和处理
S5PLC具有自诊断能力，发生模块功能错误时往往能报警并按预先程序作出反应，通过故障指示灯就可判断。
当电源正常，各指示灯也指示正常，特别是输入信号正常，但系统功能不正常(输出无或乱)时，本着先易后难、先软后硬的检修原则首先检查用户程序是否出现问题。