6ES7350-2AH01-0AE0技术参数

数控机床（Numerical ControlTools）是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。一些先进的数控机床甚至还具有某些智能的功能，如螺旋线插补、刀具监控、在线测量、自适应控制、故障诊断、软键（SoftKey）菜单、会话型编程、图形仿真等。数控机床的大部分功能对实时性要求很强，信息处理量也较大，许多数控机床都采用多微处理器数控方式。

一般数控机床通常是指数控车床、数控铣床、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系统是非常重要的。

1、柔性高 

数控机床按照数控程序加工零件，当加工零件改变时，—般只需要更换数控程序和配备所需的刀具，不需要靠模、样板、钻镗模等专用工艺装备。数控机床可以很快地从加工一种零件转变为加工另一种零件，生产准备周期短，适合于多品种小批量生产。

2、自动化程度高 

数控程序是数控机床加工零件所需的几何信息和工艺信息的集合。几何信息有走刀路径、插补参数、刀具长度和半径补偿；工艺信息有刀具、主轴转速、进给速度、冷却液开/关等。在切削加工过程中，自动实现刀具和工件的相对运动，自动变换切削速度和进给速度，自动开/关冷却液，数控车床自动转位换刀。操作者的任务是装卸工件、换刀、操作按键、监视加工过程等。

3、加工精度高、质量稳定 

现代数控机床装备有CNC数控装置和新型伺服系统，具有很高的控制精度，普遍达到1 rn，高精度数控机床可达到0.2m。数控机床的进给伺服系统采用闭环或半闭环控制，对反向间隙和丝杠螺距误差以及刀具磨损进行补偿，数控机床能达到较高的加工精度。对中小型数控机床，定位精度普遍可达到0.03mm，重复定位精度可达到0.0lmm。数控机床的传动系统和机床结构都具有很高的刚度和稳定性，制造精度也比普通机床高。当数控机床有3～5轴联动功能时，可加工各种复杂曲面，并能获得较高精度。由于按照数控程序自动加工，避免了人为的操作误差，同一批加工零件的尺寸一致性好，加工质量稳定。

4、生产效率较高 

零件加工时间由机动时间和辅助时间组成，数控机床加工的机动时间和辅助时间比普通机床明显减少。数控机床主轴转速范围和进给速度范围比普通机床大，主轴转速范围通常在10～6000r/min，高速切削加工时可达15000r/min，进给速度范围上限可达到10～12m/min，高速切削加工进给速度甚至超过30m/min，快速移动速度超过30～60m/min。主运动和进给运动一般为无级变速，每道工序都能选用有利的切削用量，空行程时间明显减少。数控机床的主轴电动机和进给驱动电动机的驱动能力比同规格的普通机床大，机床的结构刚度高，有的数控机床能进行强力切削，有效地减少机动时间。

5、具有刀具寿命管理功能 

构成FMC和FMS的数控机床具有刀具寿命管理功能，可对每把刀的切削时间进行统计，当达到给定的刀具耐用度时，自动换下磨损刀具，并换上备用刀具。

6、具有通信功能 

现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之间的数据通信，还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现DNC、FMC、FMS的必备条件。

图1数控装置的基本组成框图

图1是数控装置的基本组成框图，其中1为加工零件的图样，作为数控装置工作的原始数据，2为程序编制部分，3为控制介质，也称为信息载体，通常用穿孔纸带、磁带、软磁盘或光盘作为记载控制指令的介质。控制介质上存储了加工零件所需要的全部操作信息，是数控系统用来指挥和控制设备进行加工运动的唯一指令信息。但在现代CAD/CAM系统中，可不经控制介质，而是将计算机辅助设计的结果及自动编制的程序加以后置处理，直接输入数控装置。

图1中的4为数控系统，它是数控机床的核心环节。数控系统的作用是按接收介质输入的信息，经处理运算后去控制机床运行。按数控系统的软硬件构成特征来分类，可分为硬线数控与软线数控。传统的数控系统（即系统的核心数字控制装置）是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能是由硬件来实现的，这类数控系统称之为硬件数控。

随着半导体技术、计算机技术的发展，微处理器和微型计算机功能增强，价格下降，数字控制装置已发展成为计算机数字控制（ComputerNumerical Contro1）装置，即所谓的CNC装置，它由软件来实现部分或全部数控功能。CNC系统是由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PC或可编程逻辑控制器PLC）、主轴控制单元及速度控制单元等部分组成，如图2所示。CNC系统中，可编程控制器PC是一种专为在工业环境下应用而设计的工业计算机。它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PC已成为数控机床不可缺少的控制装置。CNC和PC（PLC）谐调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC主要完成与数字运算和管理有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。PC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助动作，它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制。

图2 CNC系统框图

图1中5为伺服驱动系统，它包括伺服驱动电路（伺服控制线路、功率放大线路）和伺服电动机等驱动执行机构。它们与工作本体上的机械部件组成数控设备的进给系统，其作用是把数控装置发来的速度和位移指令（脉冲信号）转换成执行部件的进给速度、方向和位移。数控装置可以以足够高的速度和精度进行计算并发出足够小的脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高的速度与精度去响应执行，整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。伺服驱动电路把数控装置发出的微弱电信号（5V左右，毫安级）放大成强电的驱动电信号（几十、上百伏，安培级）去驱动执行元件。伺服系统执行元件主要有步进电动机、电液脉冲马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机等，其作用是将电控信号的变化转换成电动机输出轴的角速度和角位移的变化，从而带动机械本体的机械部件做进给运动。

图1中6为坐标轴或执行机构的测量装置。前者用以测量坐标轴（如工作台）的实际位置，并将测量结果反馈到数控系统（或伺服驱动系统），形成全闭环控制；后者用以测量执行伺服电动机轴的位置，并予以反馈，形成半闭环控制。测量反馈装置的引入，有效地改善了系统的动态特性，大大提高了零件的加工精度。

图1中7为辅助控制单元，用于控制其他部件的工作，如主轴的起停、刀具交换等。

图1中8为坐标轴，如平面运动工作台的X、Y轴。

数控系统的工作本体是加工运动的实际执行部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台及床身立柱等支撑部件，还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀具的刀架、刀库或交换刀具的自动换刀机构等。对工作本体的要求是，应有足够的刚度和抗振性，要有足够的精度，热变形小，传动系统结构要简单，便于实现自动控制。

1 概述

• 在FANUC公司新近推出的0i-MA/TA数控系统中，根据不同的硬件配置，内装PMC的型号分别为SA1或SA3，两种规格PMC的性能详见表1。

• 本文仅就PMC-SA1/SA3与PMC-L/M中区别较为明显的部分作出介绍。

  2 辅助功能代码的译码处理

• 在0i以及16/18系统中，M、S、T辅助功能代码在系统内部是以二进制数来表示的，而不是0系统中所使用的BCD代码。在0i以及16/18系统的PMC程序中普遍使用DECB功能指令对辅助功能代码进行译码。下面举例简要说明(如表2所示)。

  表2

  F010		M07	M06	M05	M04	M03	M02	M01	M00
  F011		M15	M14	M13	M12	M11	M10	M09	M08
  F012		M23	M22	M21	M20	M19	M18	M17	M16
  F013		M31	M30	M29	M28	M27	M26	M25	M24

• 在加工程序执行到辅助功能指令如M03(主轴正转)后，系统将03代码置放在M代码存储地址F10至F13中。需要强调指出的是，此时系统自动将十进制数03转换为二进制数表达，即F10字节的第零位“M00”和位“M01”为“1”，而不能错误地理解为F10的第三位“M03”为“1”，其含义为2的立方。在大部分数控机床中，辅助功能指令(M/T代码)的数据位数一般不超过两位，一字节二进制数(十进制数0到225)即可涵盖，译码时仅需对相应代码存储地址的首字节译码，在此例中仅需对F10字节译码。与0系统中所使用的内装PMC-L/M的译码指令DEC不同，DECB指令一次即可译出连续的八个M代码(二进制数)，而DEC指令一次仅能译出一个M代码(BCD数)。

  3PMC指令

• 与SA1相比，在SA3中增加了位置(S)及复位(R)这两条基本指令和上升沿检测、下降沿检测、子程序、标号及标号跳转等功能指令。

• 使用子程序功能指令可进行模块化编程，即可将刀库、转台等外部设备的控制程序综合在一个子程序中，在主程序中有条件或无条件地调用相应的子程序。子程序功能的合理使用使PLC程序的编制和理解都较为清晰和容易。

• 标号跳转功能指令有两种，分别为JMPB和JMPC，其中JMPB指令用于同级程序内的跳转，JMPC指令用于子程序和主程序之间的跳转。

  4 PMC程序调试功能

• 在PMC-SA1/SA3中，都支持TRACE(追踪)、DIVIDINGDISPLAY(分割显示)等功能，这些功能主要用于PLC程序的调试过程。

• 使用TRACE功能，可直观地看到信号的动态变化过程，是在PMC程序动态显示画面中无法识别的状态变化也可清晰显示。TRACE功能可对一字节(可设定屏蔽位屏蔽无须检测的信号位)或两字节信号(连续或不连续均可)的状态变化采样。采样数据大可达256组，采样间隔为8ms。在调试PMC程序时，通过比较两组相关信号的实际变化过程，即可判断相关PMC程序编制是否正确。

• 窗口分割显示功能可将PMC程序中的相关部分(由调试者根据实际调试内容指定)集中显示在同一画面上，以便检测和比较相关信号的状态变化。多可显示六组。

  5 地址分配

• 不同于0系统中R地址区域和D地址区域需由用户划分，在0i及16/18系统中R地址区域和D地址区域已由系统内部划分，其地址范围分别为R0～R999(用户使用区域)和D0～D1859。可变定时器与计数器也与0系统中需占用R地址区域或D地址区域不同，而是各自均有固定的地址区域。其中T地址区域的范围为T0～T79，由于每个可变定时器需占用2个字节，可变定时器的数目为40个。
  

• C地址区域的范围为C0～C79，由于每个可变计数器需占用4个字节，可变计数的数目为20个。K地址区域的范围为K0～K19，其中K16～K19区域由系统使用，可由用户分配和使用的范围为K0～K15。
  

• D地址区域范围为D0～D1859，用户可在数据表控制画面设定实际使用的数据数量，每个数据表的地址范围及数据属性(二进制数，十进制数或十六进制数)，进而在相应的数据表画面设定数据表中的数据。

  I/Obbbb联接示意图

  
  

• 如右图所示，0i及16/18系统支持FANUCI/Obbbb功能，即可通过I/Obbbb联接将I/O点数扩展到1024/1024个输入点/输出点。较为常用的支持I/Obbbb联接功能的外部设备包括FANUC标准机床操作面板，通过I/Obbbb联接的b伺服放大器及FANUC各种标准数字量/模拟量I/O模块等。
  

• 由于各种支持FANUC I/Obbbb联接的外部设备在实际联接中的顺序是随意的，在编制PMC程序之前需设定每个设备所占用的输入和输出地址范围。具体的设定方法取决于此设备在整个I/Obbbb联接中的位置、其在本组内的前后位置及该设备的种类和它所占用的I/O点数。

  6 信息编制和显示

• 在PMC-SA1/SA3中，报警和操作提示文本的编制和显示，与PMC-L/M有较为明显的区别。在PMC-L/M中，使用DISP功能指令在PMC程序中编制报警和操作提示文本，文本中的文字由对应的数字代码表示，一条DISP功能指令可处理16条信息显示，信息显示请求位由用户在R地址中指定。在PMC-SA1/SA3中，使用DISPB功能指令处理报警和操作提示文本的显示，报警和操作提示文本在信息编制画面编制，文本中的文字无须由代码表示，一条DISPB功能指令多可处理多达200条信息显示，信息显示请求位由用户在A地址中指定。

  7 PMC程序的存储

• 由于在0i系统中所用的PMC程序存储介质为FlashROM，而非0系统所用的EPROM，通过简单的按键操作即可完成PMC程序的存储，固化后的程序仍可随时修改和保存，无须使用专用的写入器和擦除器

本文旨在阐述利用PLC控制伺服电机实现准确定位的方法，介绍控制系统在设计与实施中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统参考方案及软硬件结构的设计思路，对于工业生产中定位控制的实现具有较高的实用与参考价值。

在自动化生产、加工和控制过程中，经常要对加工工件的尺寸或机械设备移动的距离进行准确定位控制。这种定位控制仅仅要求控制对象按指令进入指定的位置，对运动的速度无特殊要求，例如生产过程中的点位控制(比较典型的如卧式镗床、坐标镗床、数控机床等在切削加工前刀具的定位)，仓储系统中对传送带的定位控制，机械手的轴定位控制等等。在定位控制系统中常使用交流异步电机或步进电机等伺服电机作为驱动或控制元件。实现定位控制的关键则是对伺服电机的控制。由于可编程控制器(PLC)是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置。本文旨在阐述利用PLC控制伺服电机实现准确定位的方法，介绍控制系统在设计与实施中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统参考方案及软硬件结构的设计思路，对于工业生产中定位控制的实现具有较高的实用与参考价值。

1 利用PLC的高速计数器指令和旋转编码器控制三相交流异步电机实现的准确定位

1.1 系统工作原理

PLC的高速计数器指令和编码器的配合使用，在现代工业生产自动控制中可实现**定位和测量长度。目前，大多数PLC都具有高速计数器功能，例如西门子S7-200系列CPU226型PLC有6个高速计数器。高速计数器可以对脉宽小于PLC主机扫描周期的高速脉冲准确计数，不需要增加特殊功能单元就可以处理频率高达几十或上百kHz的脉冲信号。旋转编码器则可以将电动机轴上的角位移转换成脉冲值。

　　利用PLC的高速计数器指令和编码器控制三相交流异步电机实现的准确定位控制系统，其原理是通过与电动机同轴相连的光电旋转编码器将电机角位移转换成脉冲值，经由PLC的高速计数器来统计编码器发出的脉冲个数，从而实现定位控制。

1.2 设计与实施

以对传输带的定位控制设计为例加以说明。现需要用传输带运送货物，从货物运送起点到指定位置(终点)的距离为10cm。现要求当传输带上的货物运行10cm后，传输带电机停止运行。该系统硬件设置主要包括西门子S7-200CPU226型PLC、传输带电机(三相交流异步电机)、OMRON的E6A2-CW5W光电旋转编码器、松下VFO系列BFV00042GK变频器等。该系统的工作原理是将光电编码器的机械轴和传动辊(由三相交流异步电机拖动)同轴相连，通过传动辊带动光电编码器机械轴转动，输出脉冲信号，利用PLC的高速计数器指令对编码器产生的脉冲(采用A相脉冲)个数进行计数，当高速计数器的当前值等于预置值时产生中断，经变频器控制电动机停止运行，从而实现传输带运行距离的准确定位控制。很显然，该控制系统中实现准确定位控制的关键是对PLC的高速计数器的预置值进行设置，高速计数器的预置值即为传输带运行10cm时光电编码器产生的脉冲数。该脉冲数值与传输带运行距离、光电编码器的每转脉冲数以及传动辊直径等参数有关。该脉冲数可以通过实验测量也可通过计算得出。计算得出传输带运行10cm对应的脉冲数为：

　　脉冲数=[(传动辊直径(mm)×π÷(脉冲数/转)]×传送带运行距离(mm)

该系统通过计算得出脉冲数为100，则高速计数器的预置值即为100。参考程序如图1所示。

在子程序中，将高速计数器HSC0设置为模式1，即单路脉冲输入内部方向控制的增/减计数器。无启动输入，使用复位输入。系统开始运行时，调用子程序HSC_INIT，其目的是初始化HSC0，将其控制字节SMB37数据设置为16#F8，对高速计数器写入当前值和预置值，通过中断连接指令ATCH将中断事件12(即高速计数器的当前值等于预置值中断)和中断服务程序COUNT_EQ连接起来，并执行ENI指令，全局开中断。当高速计数器的当前值等于预置值时，执行中断服务程序，将SMD42的值清零，执行HSC指令重新对高速计数器写入当前值和预置值，使M0.0置位，电动机停止运行。