采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制設(shè)計(jì)

1、引言

大型軸承內(nèi)、外套上的分度、打孔是軸承中的關(guān)鍵工序，它的工藝水平和質(zhì)量的高低直接影響軸承的質(zhì)量、壽命和制造成本。目前軸承行業(yè)大型軸承內(nèi)、外套的分度方式普遍采用人工分度方式，其分度精度低、累積誤差大、工作效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)軸承性能的提高造成很大的影響。我們所研制的大型數(shù)控分度頭，采用PLC可編程控制器，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿對(duì)執(zhí)行工件進(jìn)行自動(dòng)分度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造費(fèi)用低，較好地解決了生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。

2、總體設(shè)計(jì)方案

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。其重要特點(diǎn)是只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器這一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移，或者說(shuō)：控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)脈沖信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器就使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。所以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。因此，控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速;控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，可以對(duì)電機(jī)精確定位。

在我們所設(shè)計(jì)的數(shù)控分度頭中，就是利用這一線性關(guān)系，用PLC進(jìn)行電氣控制、編寫分度算法程序，控制脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿對(duì)執(zhí)行工件進(jìn)行精確分度，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)整、手動(dòng)分度、自動(dòng)分度等多種電氣控制。

電氣控制方案為PLC+步進(jìn)電機(jī)及可細(xì)分驅(qū)動(dòng)器+數(shù)顯尺。PLC選用DVP20EH00T，AC220伏供電20點(diǎn)200HZ晶體管輸出類型;根據(jù)分度精度要求考慮，選用可細(xì)分驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)，考慮分度時(shí)對(duì)工件的扭矩M=FR=fNR，計(jì)算出最大扭矩為27Nm.按矩頻特性選取步進(jìn)電機(jī)，選130BYG350A型三相混合式步進(jìn)電機(jī)及配套細(xì)分驅(qū)動(dòng)器MS-3H130M. PLC的I/O配置如下表：I0.0調(diào)整/分度Q0.0脈沖數(shù)I0.1急停Q0.1花盤上升I0.2步進(jìn)轉(zhuǎn)位Q0.2花盤下降I0.3花盤卡緊/松開(kāi)Q0.3故障指示I0.4花盤上升/下降Q0.4方向I0.5自動(dòng)分度Q0.5 I0.6調(diào)整啟動(dòng)/結(jié)束Q0.6 I0.7驅(qū)動(dòng)器信號(hào)Q0.7 I0.10-I0.13孔數(shù)設(shè)置該數(shù)控分度頭在徑向安裝數(shù)顯尺來(lái)控制徑向分度尺寸;由PLC控制步進(jìn)電機(jī)軸向分度。操作人員啟動(dòng)電源，輸入分度數(shù)后，調(diào)整/分度開(kāi)關(guān)置于分度位置即可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)分度。在自動(dòng)分度中可實(shí)現(xiàn)分度機(jī)構(gòu)的松開(kāi)、上升、分度、下降、卡緊再松開(kāi)的順序控制。

3、分度算法

設(shè)總孔數(shù)為D2，總脈沖數(shù)D0，分度脈沖可計(jì)算為：D0/D2=D4 +D5（余數(shù)）。若D5=0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，電機(jī)轉(zhuǎn)角控制脈沖均為D4.若D5≠0時(shí)，將D5與孔數(shù)的一半（D2/2=D8）進(jìn)行比較，若小于孔數(shù)的一半，步進(jìn)電機(jī)先按D4個(gè)脈沖分度，步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)分度角，余數(shù)D5累積一次，當(dāng)累積數(shù)大于D8時(shí)，步進(jìn)電機(jī)則按D4+1個(gè)脈沖分度一次，此時(shí)累積數(shù)減去D4+1脈沖的余數(shù)即D2-D5，然后再按D4個(gè)脈沖分度，依次類推直至分度完畢;若余數(shù)大于孔數(shù)的一半，步進(jìn)電機(jī)先按D4+1個(gè)脈沖分度，余數(shù)按D2-D5累積，當(dāng)累積數(shù)大于D8時(shí)，步進(jìn)電機(jī)則按D4個(gè)脈沖分度一次，此時(shí)累積數(shù)減去D4脈沖的余數(shù)D5，然后再按D4+1個(gè)脈沖分度，依次類推直至分度完畢。這樣的分度算法，使孔與孔之間的分度誤差始終小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，可以實(shí)現(xiàn)在3600轉(zhuǎn)角誤差為0的分度精度要求。

4、結(jié)束語(yǔ)

該大型數(shù)控分度頭應(yīng)用于1000mm～2000mm的軸承內(nèi)、外套的分度。主要優(yōu)點(diǎn)為：（1）分度精度高。驅(qū)動(dòng)器在最高細(xì)分10000工作狀態(tài)下，孔孔之間分度誤差可控制在7.3μm，可以實(shí)現(xiàn)3600轉(zhuǎn)角誤差為0的分度精度要求，滿足了工件的分度要求。（2）工作效率高，分度速度快。選用的PLC最高頻率為200HZ，在自動(dòng)分度工作狀態(tài)下，50個(gè)孔的分度工作不足十分鐘即可完成。（3）操作靈活、簡(jiǎn)便。該數(shù)控分度頭實(shí)現(xiàn)調(diào)整（不分度）、手動(dòng)或自動(dòng)分度等電氣操作。人工分度方式需要測(cè)量、畫線等費(fèi)工費(fèi)時(shí)，由PLC控制的步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)分度方式只需輸入分度數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)分度的多種控制。（4）該數(shù)控分度頭經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。投入使用后，較好地解決了以往大型軸承內(nèi)、外套的分度存在的問(wèn)題，提高了軸承產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。