魏永吉 ，張晏嘉 ，郝 鵬 ，吳志東 ，何義波 ，曾 濤 ，李中盟 ，高威明，李鎮(zhèn)洵，周成宇

（1.安徽三安光電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.齊齊哈爾技師學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3.齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161000 ）

二軸PLC驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的工作平臺設(shè)計(jì)

魏永吉1，張晏嘉2，郝 鵬3，吳志東3，何義波3，曾 濤3，李中盟3，高威明3，李鎮(zhèn)洵3，周成宇3

（1.安徽三安光電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.齊齊哈爾技師學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3.齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾 161000 ）

本次設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)一套T型的數(shù)控工作臺的進(jìn)給系統(tǒng)，以三菱FX2N系列PLC作為控制核心，結(jié)合組態(tài)王上位機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等控制元件，設(shè)計(jì)基于PLC的步進(jìn)電動機(jī)位置控制系統(tǒng)。開發(fā)的這套系統(tǒng)可以作為一套實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，可以用作教學(xué)還可以作為研究模型，強(qiáng)化現(xiàn)有的機(jī)床，這套設(shè)備可以很直觀的展現(xiàn)大型設(shè)備的三維形狀，教學(xué)或者研究起來多很方便，并且占地面積小，危險(xiǎn)性低。

數(shù)字信號控制工作臺；步進(jìn)電動機(jī)；PLC應(yīng)用；系統(tǒng)模擬仿真

本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是研究設(shè)計(jì)一套數(shù)控工作臺T型橫梁系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的工作臺在X軸與Y軸這兩個(gè)軸向進(jìn)行運(yùn)動。筆者通過本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，去研究和分析復(fù)雜的動態(tài)對象，這樣一來可以用工作平臺來代替大型的機(jī)械裝備系統(tǒng)，從而減少對大型機(jī)械裝備的損壞。并且在設(shè)計(jì)和制造的裝備過程中，大大減少了寶貴的時(shí)間，一方面使用方便便捷，另一方面縮小資金浪費(fèi)。通過設(shè)計(jì)開發(fā)這樣一套數(shù)控工作臺T型橫梁系統(tǒng)，可以使其作為一套完整的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，提供給學(xué)生或是教學(xué)人員進(jìn)行參考。無論是在教學(xué)方面，還是在科研方面都有著很重要的作用。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

一般的數(shù)控機(jī)床組成部分包括控制介質(zhì)、輸入輸出裝置、數(shù)控裝置、私服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機(jī)床主機(jī)，如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床的組成

根據(jù)要求以及對文獻(xiàn)的參考，完成數(shù)控工作臺的總體方案設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

工作臺面積：600×700 mm；

工作臺行程：400×300 mm；

工作臺最大承重：800kg；

主軸伺服電機(jī)功率：7.5/11kW；

主軸轉(zhuǎn)速區(qū)間：20～6000r/m；

主軸最大扭矩：92N·m；

工作臺結(jié)構(gòu)材料：Q235。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

0.01mm是我們這個(gè)系統(tǒng)分辨率的大小，其它的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 各部分設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 步進(jìn)電機(jī)與絲杠選型

步進(jìn)電動機(jī)與絲杠之間的連接方式用聯(lián)軸器直接連接的要求是系統(tǒng)的傳動比i=1，這樣可以很大程度減小結(jié)構(gòu)的不必要麻煩，并且還可以使系統(tǒng)的精度得到一定的提高。 傳動比的公式是：

圖2 進(jìn)給系統(tǒng)草圖

如圖2所示，查閱文獻(xiàn)選用的電動機(jī)型號為55BF009，翻閱書籍得到電動機(jī)的步矩角θb=0.9°，同樣的方法，滾珠絲杠的規(guī)格選為2004-3(FYND)，它的導(dǎo)程Lo=4mm。

由上述傳動比公式：

θb為步進(jìn)電動機(jī)的步距角，Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程,δp為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。所以可以將步進(jìn)電動機(jī)與絲杠用聯(lián)軸器直接連接。

2 數(shù)控工作臺進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量

驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JD=0.701kg·cm2

由已知得到絲杠的轉(zhuǎn)動慣公式：

JS=0.78×D4L×10-3kg·cm2，得

JS=0.78×24×340×10-3=0.424kg·cm2

工作臺轉(zhuǎn)動慣量JG，因?yàn)楣ぷ髋_的材料是Q235，所以工作臺的質(zhì)量為：

由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計(jì)，總轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算：

J∑=JD+JS+JG=0.0701+0.424+0.506=1.0004kg·cm2

2.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)和計(jì)算

由于選擇的導(dǎo)軌為直線滾動導(dǎo)軌所以有：

每個(gè)滑塊的的工作載荷：

取硬度系數(shù)：fH=0.53、fT=1、fC=0.81、fW=2，

預(yù)設(shè)導(dǎo)軌壽命L=50km，則根據(jù)此壽命可算出：

Ca=3267k·N

故選導(dǎo)軌型號GDA20SV符合要求，查閱資料可知其

Ca=12.4k·N

2.3 選用驅(qū)動電機(jī)

（1）步距角選擇。已知脈沖當(dāng)量由δp=0.01mm/脈沖

（2）步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)。查資料得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩MK與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系有：

MKq/Mjmax=0.707

加速度力矩：

空載摩擦力矩：

取傳動系統(tǒng)總效率η=0.8

G工作臺=66.052N

G絲杠=0.697×9.8=6.831N

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制方案

在傳統(tǒng)的控制器，如：常規(guī)模擬控制電路，PLC控制電路，計(jì)算機(jī)控制等中，最后筆者選擇PLC控制系統(tǒng)。所以變得更簡單，因?yàn)镻LC的梯形圖控制繼電器系統(tǒng)的語言類似人物語言，不僅易學(xué)而且可靠，擁有著很多特殊的功能，并且在運(yùn)輸過程中，有很好的防震抗水抗熱的功能，所以可以很高程度的減少損壞。

文章中的控制核心是三菱公司的FX2N系列PLC，結(jié)合組態(tài)王上位機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等控制元件。如圖3所示，其中組態(tài)王上位機(jī)軟件不僅可以實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，還能替代以前老式的控制按鈕面板，這樣大大的節(jié)省了空間，并且還可以完成模擬仿真運(yùn)行。

圖3 控制系統(tǒng)圖

3.2 電氣原理說明

通過翻閱有關(guān)于PLC及各種傳感器的設(shè)計(jì)與使用手冊，并了解整個(gè)系統(tǒng)在功能上的要求，最終確定電氣硬件部分設(shè)計(jì)內(nèi)容與行進(jìn)方向。

根據(jù)系統(tǒng)功能，對PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行以下定義，如表2所示。

表2 PLC IO表

4 結(jié)語

在本次設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，筆者整使用開環(huán)控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)的核心，采用滾珠絲杠作為系統(tǒng)的傳動副。為了提高工作平臺整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)給速度與控制要求，因此伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機(jī)作為外界驅(qū)動裝置。PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將有助于在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)故障，一旦發(fā)現(xiàn)模塊故障，可以快速修復(fù)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，也有助于快速找到問題的原因。它對步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力，對實(shí)現(xiàn)PLC控制步進(jìn)電機(jī)的普遍控制電路設(shè)計(jì)具有實(shí)際的生產(chǎn)意義。

［1］王宗才.機(jī)電傳動與控制［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［2］廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械出版社，2010.

［3］金沙．PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成與調(diào)試［M］.天津：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

魏永吉（1985-），男，吉林松原人，大學(xué)本科，主要研究方向：設(shè)備自動化控制技術(shù)。