【正文】 頁 共 41 頁 圖 31 PLC 驅(qū)動步進電機接線圖 與單片機要求相同，本電路應(yīng)該能實現(xiàn)兩個方向步進電機的插補進給，和進刀退刀的動作，由于使用晶體管輸出使該快速發(fā)出脈沖的驅(qū)動設(shè)計成為可能。電路接線如圖 31 所示，該驅(qū)動裝置由 PLC 系統(tǒng)（包括：機價、電源、 CPU、輸入模塊、輸出模塊等）、步進電機驅(qū)動器、開關(guān)電源、步進 電機等組成。圖中所示是驅(qū)動器中含有硬件環(huán)型分配器的驅(qū)動方式，其中使用 Y0(Y1)口線接 PUL，提供一定頻率的脈沖信號，驅(qū)動步進電機按與給定頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速運行，改變脈沖信號的頻率便可以改變步進電機的轉(zhuǎn)速； Y2(Y3)口線接 DIR，通過高低電平轉(zhuǎn)換改變步進電機的運行方向，如設(shè) Y2(Y3)高電平為正轉(zhuǎn)，則低電平為反轉(zhuǎn)； PUL+、DIR+、 ENA+、開關(guān)電源 +24v 都連接在一起，其余接線如圖 31 所示。接通電源后， PLC 上的 LED 指示步進電機得電情況，兩個輸入按鈕分別控制兩個方向的反轉(zhuǎn)后退，點擊輸入按鈕使步進電 機反轉(zhuǎn)后退，若需要兩個方向都能反轉(zhuǎn)后退和前進進給，需再加上兩個向前按鈕。 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 27 頁 共 41 頁 PLC 插補程序設(shè)計概述 PLC 控制步進電機程序的主要任務(wù)：（ 1）控制旋轉(zhuǎn)方向（ 2）按順序傳送控制脈沖（ 3）判斷步數(shù)是否走完。 本課程設(shè)計和綜合訓(xùn)練可根據(jù)給定數(shù)控平臺 X 方向與 Z 方向的絲杠的導(dǎo)程Lx和 Lz、步進電機步距角α x、α z和脈沖當(dāng)量δ x、δ z，若要讓工作臺向前行進 amm，則步進電機需要運行 a / δ x（δ z）的步數(shù)。本次設(shè)計由于指標中有最大進給速度，設(shè)步進電機步距角為 度，例如要求運行角速度為 30r/min, 即180 度 /秒（ 140 步 /秒），則運行一步為 7143us ，所以輸出高低電平脈沖后各延時 3572us 即可達到上述目的。步進電機剛啟動時的響應(yīng)頻率比較低（ 100～ 250步 /秒） ,而電機啟動后進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。所以必須采取啟動時以低于響應(yīng)頻率的速度運行，然后慢慢加速，加速到響應(yīng)頻率后，就以此速率恒速運行。當(dāng)快到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應(yīng)頻率的速率下運行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機。因此，在啟動或停機的過程中，可以均勻減少或增加延時時間（此次設(shè)計的延時可采用軟件循環(huán)延時，也可以采用定時器延時）。 根據(jù)以前學(xué)過的知識可知，偏差計算是逐點比較法關(guān)鍵的一步，下面以第二象限圓弧為例導(dǎo)出偏差的計算公式。 如圖所示，假定順圓弧 SR3 的起點為 S(XS,YS)，終點 E的坐標為（ xe, ye）。當(dāng)動點在圓弧上或在圓弧外側(cè)區(qū)域時， 應(yīng) +X 方向進給一步； 圖 32 第三象限順圓弧插補 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 28 頁 共 41 頁 當(dāng)動點在圓弧內(nèi)側(cè)區(qū)域時，應(yīng) +Y 方向進給一步； 當(dāng) 0?iF 時向（ +y）軸進給一部，則新的動點坐標為：111 ????? ii ii YY XX 新動點偏差函數(shù)為 121 ???? iii YFF 當(dāng) 0?iF 時，向（ X）方向進給一步，則新的動點坐標為 iiii YY XX ? ????11 1 新的動點偏差函數(shù)為 121 ???? iii XFF 圖 33 四個象限圓弧插補偏差計算與進給方向 （ 1） SR1 → NR2 （ X 軸反向）； SR1 → NR4 （ Y 軸反向）； SR1 → SR3 （ X 軸、 Y軸同時反向）； SR NR SR3 和 NR4 這四種線型的偏差計算公式都相同。 NR1 → SR2 （ X 軸反向）； 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 29 頁 共 41 頁 SR1 → SR4 （ Y 軸反向）； SR1 → NR3 （ X 軸、 Y 軸同時反向）； NR SR NR3 和 SR4 這四種線型的偏差計算公式也都相同。 （ 2） SR1 → NR1 （ X、 Y 對調(diào)）； NR1 → SR1 （ X、 Y 對調(diào)）； 可見，通過對調(diào) X、 Y 信號和改變進給方向，各個象 限不同走向的圓弧插補運動都可以通過進行第一象限順圓弧的插補計算或第一象限逆圓弧的插補計算來完成。 如圖所示，設(shè)要加工圓弧 SE，圓弧的圓心在坐標原點，圓弧的起點 S（ XS,YS） 、終點 E（ XE,YE） ,圓弧半徑為 R。令瞬時加工點為 i（ xi,yi） ,它與圓心的距離為 Ri。比較 Ri 和 R，可以比較他們的平方值。 Ri2=Xi2+yi2 R2=x02+y02 因此可得圓弧偏差判別式如下： Fi=Ri2R2=xi2+yi2R2 若 Fi=0,表明加工點 i 在圓弧上； Fi0, 表明加工點 i在圓弧外； Fi0,表明加工點 i 在圓弧內(nèi)。 若 Fi≥ 0,為逼近圓弧，下一步向 +Y軸向進給一步，并算出新的偏差； Fi0，為逼近圓弧，下一步向 X 軸向進給一步，并算出新的偏差 . 如此一步步計算和一步步進給，在到達終點后停止運算，就可插補出如圖所示第三象限順圓弧。 為簡化計算，下面進一步推導(dǎo)偏差計算的遞推公式。 設(shè)加工點正處于 i(xi,yi)點，其判別式為 Fi=xi2+yi2R2 若 Fi≥ 0，應(yīng)沿 +Y軸向進給一步，到 i+1點，其坐標值為 Xi+1=Xi Yi+1=Yi+1 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 30 頁 共 41 頁 新加工點的偏差為： Fm=Xi+12+Yi+12R2=xi2+(yi 1)2 R2=Fi2Yi+1 (31) 若 Fi0，應(yīng)沿 X軸向進給一步，到 i+1 點，其坐標值為 Xi+1=Xi1 Yi+1=Yi 新加工點的偏差為 ： Fi=Xi+12+Yi+12R2=(xi 1)2 +yi2R2=Fi+2Xi+1 (32) 根據(jù)式（ 31） 和（ 32）可以看出，只要知道前一點偏差和坐標，就可以求出新的一點的偏差。公式中只有乘 2運算，計算大為簡化了。由于加工是從圓弧的起點開始的，起點的偏差為 0，坐標為（ x0,y0） ，所以新的加工點的偏差完全可以用前一加工點的偏差遞推出來。 綜上所述，逐點比較 的逆圓弧插補過程為每走一步要進行以下四個步驟，即判別、進給、運算、比較。 （ 1）判別。根據(jù)偏差值確定刀具的位置是在直線的上方（或線上），還是在直線的下方。 （ 2）進給。根據(jù)判別的結(jié)果，決定控制哪個坐標（ x或 y）移動一步。 （ 3）運算。計算刀具移動后的新偏差，提供給下一個判別依據(jù)。根據(jù)式 （ 31） 及式 （ 32）來算新加工點的偏差，使運算大大簡化，但是每一新加工點的偏差是由前一點偏差 Fi,i推算出來的，并且一直推算下去，這樣就要知道開始加工時的那一點的偏差是多少。當(dāng)開始加工時，我們是以人工方式將刀具移到加 工起點，既所謂的“對刀”，這一點當(dāng)然沒有偏差，所以開始加工點的 Fi,i=0。 （ 4）比較。在計算運算偏差的同時，還要進行一次終點比較，以確定是否到達終點。若已經(jīng)到達，就不要再進行計算，并發(fā)出停機或轉(zhuǎn)換新程序的信號。 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 31 頁 共 41 頁 逐點比較法第三象限順圓弧插補程序流程圖如下 ： 圖 34 第三象限順圓弧插補流程圖 起 始 初始化： Xe、 Ye、F、∑、 Xs、 Ys； 對 刀 F=0? 向 X 走一步 向 +Y 走一步 F=F+2Xi+1 X=Xi1 F=F2Yi+1 Yi+1=Yi+1 ∑ =∑ 1 ∑ =0？ End 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 32 頁 共 41 頁 使用 MOV、 ADD_I、 SUB_I 等編程模塊，和一些控制指令進行，注意到了 規(guī)定的進給總步數(shù)后應(yīng)跳過進給段。 程序設(shè)計調(diào)試 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 33 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 34 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 35 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 36 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 37 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 38 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 39 頁 共 41 頁 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 40 頁 共 41 頁 參考文獻 [1] 楊龍興編 .機電一體化系統(tǒng)設(shè)計實驗指導(dǎo)書 . 校印版 .2021. [2] 鐘肇新，彭侃編 .可編程控制器原理及應(yīng)用 . 廣州 :華南理工大學(xué)出版社 ,1999. [3] 黃平、朱文堅編 .機械設(shè)計教程 . 北京 : 清華大學(xué)出版社 . [4] 許杏根編 .簡明機械設(shè)計手冊 . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,1997. [5] 鄭文緯 ,吳克堅編 .機械原理 .7 版 . 北京 :高等教育出版社 ,1997. [6] 汪木蘭編 .數(shù)控原理與系統(tǒng) . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,2021. [7] 趙松年 ,張奇鵬編 .機電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 . 北京 :機械工業(yè)出版社 ,1996. [8] 周軍 ,海心編 .電氣控制及 PLC. 北京 .機械工業(yè)出版社 ,2021. [9]張建中 ,周家澤編 .機械設(shè)計基礎(chǔ) .高等教育出版社 ,. 江蘇理工學(xué)院課程設(shè)計與綜合訓(xùn)練 第 41 頁 共 41 頁