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1  引言

    在機械加工時，定位控制系統一般用在孔加工機床上（例如鉆孔、鉸孔和鏜孔的數控機床）。定位控制系統僅控制刀具相對于工件的定位，由一個定位點向另一個定位點。用全功能數控系統來實現定位控制功能，這種系統雖然功能十分完善，但其價格十分昂貴，而且，對于中低檔數控機床來說，許多功能對定位控制來說是多余的。如果采用單片機來實現定位控制，需要進行復雜的二次開發，設計硬件電路時，除了微機系統外，還要設計接口電路、抗干擾電路及驅動電路，設計軟件時，要求掌握微機原理及微機的指令系統，并且具有程序開發能力[1]。
    PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境設計的一種工業控制計算機，采用面向用戶的指令，編程方便。近年來，PLC在傳統的對開關量處理的基礎上，又增加了數字運算及對模擬信號處理的能力[2]。這給PLC的應用帶來了巨大的發展前景，PLC驅動步進電機實現點位控制，硬件電路設計簡單、方便、快捷，編程時，只要熟悉PLC的指令即可。

2  用PLC實現數控系統的定位控制存在的問題

    在定位控制系統中，刀具或工件移動過程中不進行切削，為了減少輔助時間，提高工作效率，要求快速移動，而在接近定位點時，為了保證定位精度則要降低速度。同時，步進電機的啟動是一個加速的過程，為了維護步進電機及驅動設備，要求驅動脈沖頻率也線性增大。
    PLC以循環掃描的方式工作，PLC循環掃描一次所需的時間稱為掃描周期。PLC運行正常時掃描周期的長短與CPU的運算速度，與I/O點的情況，與用戶應用程序的長短及編程情況有關。通常用PLC執行1KB指令所需的時間來描述掃描速度（一般為1~10ms/KB）[3]。如果采用傳統的掃描方式來產生驅動脈沖，則要求PLC掃描頻率要比步進電機工作頻率大一個數量級[4]，才不會導致步進電機出現失步現象，所以步進電機只能在極低的頻率下工作。這樣顯然不滿足快速定位的要求。綜上所述，問題的關鍵就是要實現步進電機的軟啟動和快速而精確的定位功能。

3  系統方案設計

    目前，世界上已有200多個廠家生產PLC，隨著微電子技術的發展，新型器件大幅度的性能提升，PLC的功能不斷增加，已將原來大中型PLC才有的功能部分的移植到小型PLC上，如模擬量處理，數據通信，高速輸入輸出以及數學計算功能[5]，而價格卻不斷下降。考慮數控機床定位系統的實際工作情況以及我國對PLC的應用現狀，這里決定采用SIMATIC S7-200系列小型晶體管輸出型可編程控制器（PLC）主機，以滿足高速輸出的頻率要求。
    SIMATIC S7-200系列PLC的高速脈沖輸出功能是指在PLC某些輸出端產生高速脈沖，用來驅動負載實現精確控制。高速脈沖輸出有高速脈沖串輸出（PTO）和寬度可調（PWM）脈沖輸出兩種方式，脈沖周期變化范圍是50～65 535us或2～65 535ms，為16位無符號數據；脈沖數用雙字無符號數表示，取值范圍是1～4 294 967 295之間。其輸出不受PLC掃描周期的影響[3]，這樣可以滿足數控系統精確定位的要求。
    每種PLC主機最多可提供2個高速脈沖輸出端，即Q0.0和Q0.1，一般包括在數字量映像寄存器編號范圍內，如果Q0.0和Q0.1在程序執行時用作高速脈沖輸出，其通用功能被自動禁止。每個高速脈沖發生器對應一定數量的特殊寄存器，包括控制字節寄存器，狀態字節寄存器和參數數值寄存器，它們用以控制高速脈沖輸出形式，反映輸出狀態和參數值。各寄存器功能表如表1所示[3]。
    由已知條件可知可選定Q0.0為脈沖輸出端，工作模式為PTO方式，并且確定為多段模式。

表1  相關寄存器的功能表

5  結語

    本論文詳細分析了用PLC來實現數控定位功能的方法的可行性，并且給出了應用實例。對于二維定位系統可采用Q0.0和Q0.1同時輸出高速脈沖，使兩軸聯動達到定位目的[7]，同時使用JUMP指令來實現不同的定位方式[8]。