步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)在加工實(shí)訓(xùn)裝置中的應(yīng)用

蔣玲，柯勇

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖241006)

摘要：闡述了掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的重要性，分析了步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成，針對(duì)加工實(shí)訓(xùn)裝置中步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制的要求，對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，指出在教學(xué)過(guò)程中，可以靈活地開展任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)做一體的教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在完成相關(guān)任務(wù)的過(guò)程中掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；PLC；加工裝置

作者簡(jiǎn)介：蔣玲，碩士，講師，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院。研究方向：PLC及自動(dòng)控制。

基金項(xiàng)目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院2012年度教科研項(xiàng)目“任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)做一體化教學(xué)模式在《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)》課程教學(xué)中的探索與實(shí)踐”(WZ[2012]jy02)。

文章編號(hào)：1672-6758(2015)03-0023-3

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper describes the importance of mastering stepping drive control technology and examines the composition of stepping driving system．In view of the training device of stepper driver control, the hardware and software of the system are designed for teaching process. The flexibility to carry out the task- driven teaching can make students to complete a task with the stepping drive control technology.

1前言

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，[1]具有控制簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、方便維修等顯著優(yōu)點(diǎn), 在焊接專機(jī)、自動(dòng)生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用,因此，培養(yǎng)掌握機(jī)電一體化技術(shù)，掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制的技術(shù)人才是當(dāng)務(wù)之急。為此, 本文針對(duì)加工實(shí)訓(xùn)裝置的控制需求, 采用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓學(xué)生在完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的過(guò)程中掌握步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。

2加工實(shí)訓(xùn)裝置的組成及功能

加工實(shí)訓(xùn)裝置主要由三大部分組成：一是控制兩維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中X軸方向的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)同步輪同步帶，帶動(dòng)氣動(dòng)手爪沿X軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確定位，而Y軸方向的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制滾珠絲桿的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)主軸沿Y軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確定位；二是加工臺(tái)、工件夾緊氣動(dòng)手爪、主軸電機(jī)、刀具等加工部件；三是光電傳感器、磁性傳感器等檢測(cè)元件；四是氣缸、電磁閥等氣動(dòng)元件。這四大部分協(xié)調(diào)工作完成對(duì)工件的模擬切削加工功能。

3控制系統(tǒng)

3.1 加工實(shí)訓(xùn)裝置的控制過(guò)程及要求。

裝置的控制過(guò)程如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的控制流程圖 [2]

加工裝置控制系統(tǒng)具體的控制要求為：

(1)系統(tǒng)在電源和氣源接通后，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的硬件做自檢，即檢查加工裝置的各部分是否滿足原點(diǎn)條件。若滿足則應(yīng)有相應(yīng)的信號(hào)指示。若不滿足則不允許系統(tǒng)運(yùn)行。

(2)在系統(tǒng)滿足運(yùn)行條件的前提下，方可啟動(dòng)主令開關(guān)，設(shè)備方可按加工工藝過(guò)程運(yùn)行。系統(tǒng)的控制流程如圖1所示。

(3)系統(tǒng)具有預(yù)停止功能，即在工作過(guò)程中，若按下停止按鈕，不是立即停止，而是在完成本周期的最后一步動(dòng)作后才停止工作，設(shè)備運(yùn)行指示燈熄滅。

(4)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，若按下復(fù)位按鈕，當(dāng)前動(dòng)作停止，系統(tǒng)進(jìn)行回原點(diǎn)操作，直至回到初始狀態(tài)。

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由控制器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)三部分構(gòu)成。[1][5]

(1)控制器：用于產(chǎn)生高速脈沖信號(hào)和方向信號(hào)。本裝置選用三菱FX2N-16MT集體管輸出型PLC作為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器。

(2)驅(qū)動(dòng)器：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由脈沖信號(hào)分配和功率驅(qū)動(dòng)電路組成。主要解決向步進(jìn)電機(jī)的各相繞組分配輸出脈沖和功率放大兩大問(wèn)題。[2]根據(jù)控制器接收的脈沖和方向信號(hào)，為步進(jìn)電機(jī)各繞組提供正確的通電順序，以及為電機(jī)提供各種保護(hù)措施。本裝置選用Leadshine M415B兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并利用其側(cè)面的SW功能設(shè)置開關(guān)，設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的電流和細(xì)分。

(3)步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)作為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器，通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)可以很方便地控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，且步進(jìn)電機(jī)的誤差不積累，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。還可以通過(guò)控制頻率很方便地改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加速度，達(dá)到任意調(diào)速的目的?？刂菩盘?hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而帶動(dòng)負(fù)載。本裝置選用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)：JNT 42J1834-810型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

圖2　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖

(4)PLC的I/O地址分配及外部接線。

啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、氣缸位置開關(guān)等主令信號(hào)和光電傳感器、電磁傳感器信號(hào)檢測(cè)信號(hào)作為PLC控制的輸入信號(hào)；其中X、Y軸方向上的極限位置保護(hù)，采用硬件電路來(lái)處理，不作為PLC的輸入信號(hào)。目的是防止由于軟件程序問(wèn)題導(dǎo)致沖出極限位置而造成元器件損壞。氣動(dòng)手指、升降氣缸電磁閥的控制信號(hào)和輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)作為PLC的輸出。由于需要給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器提供高速脈沖，選用三菱FX2N-16MT PLC，共8點(diǎn)輸入信號(hào)，8點(diǎn)輸出信號(hào)晶體管輸出型PLC，其中僅有兩個(gè)端口Y0、Y1可以提供高速脈沖信號(hào)。[3]

圖3、圖4分別為PLC的I/O接線原理圖和X軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接線圖。

圖3　PLC的I/O接線原理圖

圖4　X軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接線圖

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，只要考慮輸出脈沖的頻率(控制驅(qū)動(dòng)器PUL端)，以及步進(jìn)電機(jī)的方向(控制驅(qū)動(dòng)器的DIR端)。三菱FX2N-16MT PLC可以產(chǎn)生高速脈沖輸出，常用的高速脈沖輸出指令為不帶加減速的脈沖輸出指令PLSY和帶加減速的脈沖輸出指令PLSR。利用PLC的Y0、Y1輸出的高速脈沖，作為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入信號(hào)，另外通過(guò)方向信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向。我們分別以X軸、Y軸的原點(diǎn)作為參考點(diǎn)，系統(tǒng)初始位置處于各自原點(diǎn)處，離開原點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，方向信號(hào)為ON，反之，向原點(diǎn)回歸的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)方向信號(hào)為OFF。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的功能接收來(lái)自PLC的一定數(shù)量和脈沖頻率以及電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的信號(hào)，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出脈沖信號(hào)。[3][5]

限于篇幅，此處僅列出X軸定位控制的參考程序段：離開原點(diǎn)帶動(dòng)主軸前往加工工件的運(yùn)行程序段和向原點(diǎn)回歸的程序段。以區(qū)別這兩種情況下步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)定位控制PLC程序設(shè)計(jì)上的不同。

圖5　X軸離開原點(diǎn)的程序段

當(dāng)S24為活動(dòng)步時(shí)，Y0開始輸出頻率為800HZ的脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)為3450個(gè)，這個(gè)數(shù)值需要通過(guò)計(jì)算細(xì)分和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試測(cè)定。PLC輸出在設(shè)定的3450個(gè)脈沖后，脈沖輸出停止，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，達(dá)到定位的目的。當(dāng)設(shè)定的脈沖結(jié)束后，執(zhí)行完成標(biāo)志M8029動(dòng)作，可以作為轉(zhuǎn)換到下一步的轉(zhuǎn)換條件。

圖6　向原點(diǎn)回歸的程序段

當(dāng)S29為活動(dòng)步時(shí)，Y0開始輸出頻率為600HZ的脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)為0個(gè)，PLSY設(shè)定脈沖個(gè)數(shù)為0時(shí)，則表示PLC連續(xù)輸出脈沖信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行。這時(shí)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)主軸運(yùn)行到X軸的原點(diǎn)X1處，X1的常閉觸點(diǎn)斷開，輸出中斷，Y0也斷開，即強(qiáng)制停止輸出脈沖。所以再返回原點(diǎn)的PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證可靠地回到原點(diǎn)，用外部的原點(diǎn)開關(guān)提供的信號(hào)來(lái)控制輸出脈沖停止。

PLC控制程序是加工實(shí)訓(xùn)裝置的核心，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)頻率和脈沖個(gè)數(shù)的設(shè)定可以在參考值左右調(diào)整，既可以在線觀察頻率和脈沖個(gè)數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行情況的影響，又也可以根據(jù)學(xué)生掌握的情況，決定是只實(shí)現(xiàn)X軸或Y軸單軸運(yùn)行，還是實(shí)現(xiàn)雙軸同時(shí)運(yùn)行。為了系統(tǒng)操作方便性，可以在自動(dòng)程序運(yùn)行的基礎(chǔ)上增設(shè)自動(dòng)回原點(diǎn)程序，當(dāng)系統(tǒng)不在原點(diǎn)位置可以通過(guò)軟件程序自動(dòng)返回原點(diǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的加工實(shí)訓(xùn)裝置，可以模擬一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)情況十分接近的控制過(guò)程，使學(xué)生得到一個(gè)非常接近于實(shí)際的教學(xué)設(shè)備環(huán)境，有利于采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)做一體的教學(xué)模式來(lái)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生在完成各種任務(wù)的過(guò)程中掌握步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，從而縮短了理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的距離。[4]

參考文獻(xiàn)

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Application of Stepper Motor Drive Control Technology to the Processing Training Device

Jiang Ling, Ke Yong

(Wuhu Vocational Institute of Technology, Wuhu, Anhui 241006，China)

Key words：stepper driving system；PLC；processing device

Class No.:TP23Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)