楊慧遠(yuǎn)，焦志剛

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

基于西門子S7-300的步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊慧遠(yuǎn)，焦志剛

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

針對某型號引信自動(dòng)裝配機(jī)在雷管自動(dòng)上料過程中需要精確定位的問題，提出使用西門子S7-300 PLC和FM353步進(jìn)定位模塊的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了步進(jìn)電機(jī)的選型過程、FM353定位原理和使用方法。實(shí)踐證明該系統(tǒng)性價(jià)比高，功能完善，完全滿足現(xiàn)場控制要求。

PLC；定位控制系統(tǒng)；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行原件，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)和停止以及位移和角度的精確控制。步進(jìn)電機(jī)具有跟蹤性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無累積誤差等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)生產(chǎn)控制中。

FM353模塊是通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位的智能模塊，可實(shí)現(xiàn)任何點(diǎn)對點(diǎn)定位和對響應(yīng)、速度和精度有較高控制要求的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，能夠應(yīng)用于所有低負(fù)荷及沒有較大負(fù)載波動(dòng)的位置控制場合。

PLC作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有運(yùn)算速度快、可靠性高、編程方法靈活、擴(kuò)展功能和通信聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)、不易受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置。采用PLC作為控制器，并結(jié)合其專用模塊FM353組成的定位控制系統(tǒng)具有定位精度高、可靠性和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)。

1 步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)構(gòu)成及裝配任務(wù)

某引信自動(dòng)裝配機(jī)是一條能夠?qū)崿F(xiàn)其機(jī)構(gòu)合件的雷管、套筒、擊針、支筒和密封件等5個(gè)零件的自動(dòng)裝配及檢測的生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)雷管等易燃易爆火工品的自動(dòng)裝配。該裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是通過兩臺步進(jìn)電機(jī)分別控制定位平臺和機(jī)械手臂，將雷管準(zhǔn)確放入雷管座，所以作為核心驅(qū)動(dòng)部件的步進(jìn)電機(jī)的精確定位成為裝配成功的決定因素。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 裝配機(jī)控制方案

為保證定位精度和定位的可靠性，并考慮火工品的安全生產(chǎn)技術(shù)要求，選擇SIEMENS系列PLC、FM353定位模塊、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及防爆步進(jìn)電機(jī)組成步進(jìn)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。此操作系統(tǒng)中，操作人員通過按鈕將指令發(fā)送給PLC，F(xiàn)M353將PLC指令轉(zhuǎn)換成內(nèi)部指令后將其發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器再將弱電信號轉(zhuǎn)換成強(qiáng)電信號，從而控制定位平臺和機(jī)械手臂精確定位完成雷管的上料。

圖1 步進(jìn)電機(jī)定位控制系統(tǒng)原理框圖

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC選型

考慮到工作時(shí)序、啟?？刂?、位置檢測、手動(dòng)控制、現(xiàn)場報(bào)警等需求，綜合分析需要73個(gè)輸入點(diǎn)、64個(gè)輸出點(diǎn)以及3個(gè)模擬量輸入。根據(jù)實(shí)際需求選擇S7-300系列的CPU314模塊，該CPU可用于對過程處理能力和響應(yīng)時(shí)間要求較高的場合。

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型

根據(jù)實(shí)際工況，定位平臺選用滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，電機(jī)采用多段速運(yùn)行模式。預(yù)選德國百格拉DM397/LWA型三相混合式防爆步進(jìn)電機(jī)作為定位電機(jī)。

根據(jù)自動(dòng)裝配機(jī)定位平臺負(fù)載低、動(dòng)態(tài)性要求高的特點(diǎn)選擇驅(qū)動(dòng)器WD3-007 ，該驅(qū)動(dòng)器與百格拉電機(jī)配套使用性能最佳。

電機(jī)具體選型過程如下：

定位平臺滾珠絲桿機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。工件質(zhì)量MA=6.5 kg，工件與定位平臺之間的摩擦因數(shù)μ=0.2，外力F=400 N,絲桿長度BL=0.5 m，絲桿直徑BD=0.01 m，絲桿螺距BP=0.004 m，絲桿效率Bη=0.9，移動(dòng)距離為d=0.4 m，軸連接器慣量JC=10×10-6kg·m2，滾珠絲桿密度ρ=7.9×103kg·m3。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)選型手冊的相關(guān)計(jì)算公式可知滾珠絲桿質(zhì)量BW和負(fù)載部分慣量JL分別為：

(1)

0.22×10-4kg·m2.

(2)

百格拉DM397/LWA型三相混合式防爆步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：額定輸出功率0.569 kW,保持轉(zhuǎn)矩2.26 N·m，最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=10×10-6kg·m2。則慣量比：

(3)

為保證步進(jìn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足以下要求：

0

(4)

經(jīng)以上計(jì)算可知，預(yù)選電機(jī)慣量比為2.2<10，符合要求。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確定位，采用多段速度運(yùn)行模式(如圖3所示)，加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間ta=1 s，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間tb=5 s，減速運(yùn)動(dòng)時(shí)間tc=1 s。

圖2 滾珠絲桿機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 電機(jī)運(yùn)行模式

設(shè)滾珠絲桿的最高直線運(yùn)行速度為vmax，則有：

(5)

(6)

電機(jī)轉(zhuǎn)速：

(7)

移動(dòng)轉(zhuǎn)矩：

(8)

最大轉(zhuǎn)矩：

(9)

需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min<3 600 r/min (預(yù)選電機(jī)最高轉(zhuǎn)速)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Ta=0.31 N·m<2.26 N·m(預(yù)選電機(jī)保持扭矩)，故預(yù)選電機(jī)符合要求。

3 定位過程實(shí)現(xiàn)

3.1 FM353控制原理

對于定位控制，F(xiàn)M353模塊可完成所有的控制運(yùn)算。用戶只需把控制數(shù)據(jù)傳送至用戶數(shù)據(jù)塊，并從其中讀取反饋數(shù)據(jù)即可。CPU調(diào)用POS_CTRL(FC1)函數(shù)完成用戶數(shù)據(jù)塊和FM353模塊的數(shù)據(jù)交換。FM353控制原理如圖4所示。

圖4 FM353控制原理

3.2 FM353 數(shù)據(jù)塊及其設(shè)定

FM353包含了機(jī)器數(shù)據(jù)、增量數(shù)據(jù)、刀具偏置、運(yùn)動(dòng)程序、系統(tǒng)程序、狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)塊，所有這些數(shù)據(jù)塊的設(shè)定都可以通過參數(shù)化和測試界面來完成。MD(機(jī)器數(shù)據(jù))是FM353模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的接口，同時(shí)MD也存儲于UDT(User Difined Data Type)的背景數(shù)據(jù)塊內(nèi)，每個(gè)MD數(shù)據(jù)在FM353內(nèi)有唯一地址，MD數(shù)據(jù)可以在參數(shù)化界面設(shè)置，也可以在程序中讀寫。參數(shù)化之后，將MD數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽M(Transfer data to FM),便可進(jìn)入測試界面進(jìn)行測試。

3.3 FM353定位模式選擇

JOG(手動(dòng)模式)、REF(參考點(diǎn)接近模式) 、SM(增量模式)是完成定位任務(wù)的必須過程?？紤]到裝配精度和各種工作方式的實(shí)現(xiàn)，在上料電機(jī)中采用增量的模式來決定每步的距離。實(shí)際調(diào)試中，根據(jù)滾珠絲桿的螺距和步進(jìn)電機(jī)的分辨率計(jì)算出隨行工裝中心到每個(gè)雷管座中心的距離并建立增量表，然后存入數(shù)據(jù)塊。正常工作時(shí)通過調(diào)用FC1完成數(shù)據(jù)傳遞。

3.4 程序調(diào)用

系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先在啟動(dòng)循環(huán)OB100中調(diào)用初始化程序塊FC0(FC POS_INIT),生成FM353通道數(shù)據(jù)塊(AW_DB),并完成機(jī)電同步；之后在主程序OB1中，調(diào)用FM353的控制程序塊FC1(FC POS_CTRL),建立AW-DB與FM353間的通信，讀出FM353狀態(tài)信息并寫入控制命令。FC0和FC1程序調(diào)用分別如圖5、圖6所示。

圖5 FC0程序調(diào)用

圖6 FC1程序調(diào)用

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用SIEMENS S7-300 PLC、FM353定位模塊、WD3-007驅(qū)動(dòng)器及德國百格拉防爆步進(jìn)電機(jī)組成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作簡

單，可靠性高。通過對步進(jìn)電機(jī)定位模塊的現(xiàn)場調(diào)試及實(shí)驗(yàn)，證明定位平臺的精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，完全滿足企業(yè)的生產(chǎn)要求。

[1] 王永華.現(xiàn)代電器控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2] 龍尚斌，吳澤華，曹偉華，等.步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動(dòng)[J].機(jī)械與電子，2009(9)：26-28.

[3] 龔仲華.S7-300/400系列應(yīng)用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社,2011.

[4] 羅萍，羅志勇，豈興明，等. 西門子S7-300/400 PLC工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社,2012.

[5] 陳忠平.西門子S7-300/400系列PLC自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社,2011.

Design of Stepper Motor Position Control System Based on SIEMENS S7-300

YANG Hui-yuan, JIAO Zhi-gang

(Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

To the accurate positioning problem of the automatic assembly machine in the automatic feeding process of detonator, a stepper motor position control system based on SIEMENS S7-300 PLC and FM353 stepper positioning module was put forward. This paper introduced the selection process of step motor, the positioning principle and use of FM353. Practice shows that this method is of high cost performance, perfect function, fully meeting the control requirements.

PLC; positioning control system; stepper motor

1672- 6413(2015)06- 0143- 02

2015- 06- 01；

2015- 10- 10

楊慧遠(yuǎn)(1985-)，男，河南平頂山人，在讀碩士研究生，主要研究方向：彈藥生產(chǎn)工藝及設(shè)備。

TP273

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