【正文】 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 PLC 傳動(dòng)控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)控制完全可以用 PLC 的應(yīng)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。表面 粗糙度 Ra≤ 。 (3)應(yīng)用 效果 禾進(jìn)給系統(tǒng)采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用了固定時(shí)間常數(shù)的指令型升降頻電路。為了保證刀具移動(dòng)的實(shí)際軌跡與指令一致，必須使聯(lián)動(dòng)各坐標(biāo)的升降頻時(shí)間嚴(yán)格相等。該驅(qū)動(dòng)電源采用單脈沖定能量驅(qū)動(dòng)，切換能力強(qiáng)，重復(fù)工作頻率高，并有較好的起動(dòng)性能和帶負(fù)載能力。 － 300D 型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 x、 y 坐標(biāo)各選用一臺(tái) 160BF6179。O .05 ㎜ ， Ra≤ 2)數(shù)控部分主要參數(shù) 伺服控制方式：開(kāi)環(huán) 控制坐標(biāo)數(shù)：三坐標(biāo) (同時(shí)控制坐標(biāo) ) 插補(bǔ)原理及方式：逐步比較法及直線圓弧插補(bǔ) 數(shù)字記憶方式：增量法 脈沖當(dāng)量： 0． 005 mm/步 最大指令值：圓弧 2 500 turn/程序數(shù) 直線 5 000 ram/程序數(shù) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 31 頁(yè) 共 41 頁(yè) 刀具位置補(bǔ)償裝置：刀具半徑范圍 0。0 .01 ㎜ 坐標(biāo) 177。 寬 )： 1 600 ㎜ 179。 (1)機(jī)床的功能及主要參數(shù) XK5040 數(shù)控立式銑床，適用于加工各種復(fù)雜曲線的凸輪、樣板、靠模、弧形槽 等平面或立體零 件。只要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的選擇及應(yīng)用 圖 3． 33數(shù)控銑床工作原理框圖 得當(dāng)，可以滿足一般數(shù)控銑床速度和精度的要求。圖 3． 33 所示為數(shù)控銑床工作原理框圖。因此指令脈沖總數(shù)也就決定機(jī)床的總位移量，而指令脈沖頻率決定了工作臺(tái)的移動(dòng)速度。 集成電路也可實(shí)現(xiàn)升降速控制，但缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜 且不靈活。一般用離散方法來(lái)逼近理想的升降；計(jì)算裝載值的時(shí)間，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就把各離散點(diǎn)的速度所需的裝載值固化宅運(yùn)行中用查表方法查出所需的裝載值，從而大大減少占用 CPU 時(shí)間，提高系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過(guò)程中，對(duì)加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)圭 |升速過(guò)程的總步數(shù)；③恒速運(yùn)行總步數(shù)；④減速運(yùn)行的總步數(shù)。 用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加減速控制，實(shí)際上就是改變 輸出脈沖的盱 沖串逐漸加密，減速時(shí)使脈沖串逐漸疏稀。 升速規(guī)律一般可有兩種選擇：一是按照直線規(guī)律升速；二是按指數(shù)規(guī) { 速時(shí)加速度為恒定，因此要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為恒值。各種系統(tǒng)在工作過(guò) 程中，都要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，而恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。如果系統(tǒng)以要求的速度直接起動(dòng)，因?yàn)樵撍俣纫呀?jīng)超過(guò)極限起動(dòng)頻率而不能正常起動(dòng)，可能發(fā)生丟步或根本不能運(yùn)行起來(lái)之后，如果到達(dá)終點(diǎn)時(shí)突然停發(fā)脈沖串，令其立即停止，則因?yàn)橄到y(tǒng)的慣性原因，會(huì)發(fā)生沖過(guò)終點(diǎn)的現(xiàn)象，使點(diǎn)一位控制發(fā)生偏差。系統(tǒng)在這樣的運(yùn)行方式下速度可認(rèn)為是恒定的。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速控制 對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)一位控制系統(tǒng)， 從起點(diǎn)陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 29 頁(yè) 共 41 頁(yè) 至終點(diǎn)的運(yùn)行速度都有一定要求。系統(tǒng)可用兩種方法來(lái)確定脈沖的周期：一種是軟件延時(shí)，另一種是用定時(shí)器 。 并控 制方案的 功能框圖如圖 3． 26 所示。在電動(dòng)機(jī)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機(jī)系統(tǒng)完成。這種控制方式的功能框圖如圖 3． 25所示。 串行控制 具有串行控制功能的單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連 線。各種單片機(jī)的迅猛發(fā)展和普及應(yīng)用，為設(shè)計(jì)功能很強(qiáng)而價(jià)格低廉的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器提供了先進(jìn)的技術(shù)。 圖 數(shù)控系統(tǒng)連線 步進(jìn)電動(dòng) 機(jī)的控制 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計(jì)者的要求完成的一定控制過(guò)程，按照要求的規(guī)律驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。 CNC 功能 ： 控制車(chē)床、鉆銑床 ； 可控制 4個(gè)進(jìn)給軸和一個(gè)數(shù)字或模擬主軸 ； 三軸聯(lián)動(dòng)，具有直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ) 、空間圓?。?CIP）插補(bǔ)等控制方式 ；螺紋加工、變距螺紋加工 ； 旋轉(zhuǎn)軸控制 ； 端面和柱面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（ C 軸功能） ； 前饋控制、加速度突變限制 ； 程序預(yù)讀可達(dá) 35 段 ； 刀具壽命監(jiān)控 ； 主軸準(zhǔn)停，剛性攻絲、恒線速切削 ； FRAME 功能（坐標(biāo)的平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放） 操作單元 ： 單色 TFT 顯示器，彩色為選件 ； 全功能數(shù)控鍵盤(pán)具有水平安裝方式，和垂直安裝方式 ； 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床控制面板（選件） ； 三個(gè)手輪接口 ； RS232 串行接口 ；生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線接口 ； 標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)接口 ； PC 卡插槽（用于數(shù)據(jù)備份和批量生產(chǎn)） 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 27 頁(yè) 共 41 頁(yè) 操作與顯示 ： 帶有 8個(gè)水平軟鍵和 8個(gè)垂直軟鍵的直觀操作 ； 對(duì)刀及刀具測(cè)量，工件坐標(biāo)系測(cè)量，基本坐標(biāo)偏移 ； MDA 方式端面加工 ； 程序段搜索運(yùn)行 ； 坐標(biāo)軸鎖定、快速空運(yùn)行 ； 后臺(tái)編程 ； 加工外部程序（通過(guò)串行接口） ； 示波器、袖珍計(jì)算器、和工件計(jì)數(shù)器 ； 兩種語(yǔ)言在線切換 ； 16 種語(yǔ)言可選擇安裝 ； 在線公英制切換 ； 機(jī)床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系、和相對(duì)坐標(biāo)系顯示 ； 加工軌跡實(shí)時(shí)顯示（可辨認(rèn)快速和加工軌跡） ； 在線幫助 ； 有效 G功能和 M功能顯示 ； 坐標(biāo)位置、余程以及各軸速度顯示 零件編程 ： 標(biāo)準(zhǔn) G代碼編程（ DIN66025）和西門(mén)子高級(jí)語(yǔ)言編程 ； ISO 標(biāo)準(zhǔn)編程 ；車(chē)削、銑削工藝循環(huán)編程 ； 藍(lán)圖編程 ； 極坐標(biāo)編程 ； 程序存儲(chǔ)器容量達(dá) 340K 字節(jié) PLC：采用標(biāo)準(zhǔn)的 S7200 編程語(yǔ)言 Micro/WIN； 梯圖編程 ； 梯圖在線顯示 ； PLC 遠(yuǎn)程診斷 ； 完全漢化的 PLC 編程工具隨機(jī)提供 ； 隨機(jī)提供 PLC 子程序和用于車(chē)床銑床的PLC應(yīng)用程序?qū)嵗?； PLC 的處理速度是 6000 步 /24 毫秒 ； 40 個(gè)定時(shí)器， 32 個(gè)計(jì)數(shù)器 ；數(shù)字輸入輸出為 144 / 96。采用標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 的編程語(yǔ)言 Micro/WIN 進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)。通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS 將驅(qū)動(dòng)器、輸入輸出模塊連接起來(lái) ； 模塊化的驅(qū)動(dòng) 裝置 SIMODRIVE611Ue 配套 1FK6 系列伺服電機(jī)，為機(jī)床提供了全數(shù)字化的動(dòng)力。 其控制器： 具有免維護(hù)性能的 SINUMERIK 802D，其核心部件 PCU（面板控制單元）將 CNC、 PLC、人機(jī)界面和通訊等功能集成于一體。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,缺點(diǎn)是安裝后不能加工穿出車(chē)床主軸孔的零件 ,限制了零件的加工長(zhǎng)度 ,因此 ,宜采用異軸安裝。主軸脈沖編碼器的安裝 ,通常采用 2 種方式 : ①同軸安裝 。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)消隙齒輪 2 減速 ， 減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器6 與絲杠 3 (見(jiàn)圖 2)聯(lián)接 ， 固定銷 3 防止減速器轉(zhuǎn)動(dòng)。因此縱向滾珠絲杠的支承形式為一端固定 ， 一端浮動(dòng) ,三點(diǎn)支承。原車(chē)床的進(jìn)給箱保留 ,滾珠絲杠左端仍然采用原固定支承結(jié)構(gòu) ， 支撐軸 6 通過(guò)套筒聯(lián)軸器 5與滾珠絲杠相連 ， 這種聯(lián)軸器用 2 個(gè)互相垂直的錐銷將支撐軸與絲杠聯(lián)接起來(lái) ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 徑向尺寸小 ,可防止被連接軸的位移和偏斜帶來(lái)的裝配困難和附加應(yīng)力 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 24 頁(yè) 共 41 頁(yè) (2) 縱向進(jìn)給系統(tǒng)改造： 縱向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造如圖 2 所示 。左端則將原車(chē)床的懸空結(jié)構(gòu)改為支承結(jié)構(gòu) ， 用一個(gè)聯(lián)軸套 4 和一根連接短軸 6 把滾珠絲杠 7 與減速器輸出軸 3 連接起來(lái) ， 并通 過(guò)一對(duì)圓螺母 5 實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)絲杠的預(yù)拉伸和鎖緊 ， 以提高其軸向剛度?？拷僮髡咭欢?， 布置一根支撐短軸 11， 通過(guò)套筒聯(lián)軸器 10 與滾珠絲杠 7 連接起來(lái)。 機(jī)械部分改造 (1) 橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造 橫向滾珠絲杠也采用一端固定 ， 一端浮動(dòng) ， 三點(diǎn)支承的形式 ， 也通過(guò)雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙 ， 如圖 5 所示。 （ 6） 伺服電機(jī)計(jì)算 扭矩的計(jì)算 1) 理論動(dòng)態(tài)預(yù)緊轉(zhuǎn)矩 查表知 3級(jí)滾珠絲杠 ?? ， 而 m a x / 3 133 / 3 445 .2( )PF F N m? ? ? 由公式 () 230 ( / 2 ) [ (1 ) / ] 10P P hT F P ? ? ? ?? ? ? ? 23( 4 4 5 . 2 1 0 / 2 ) [ (1 0 . 9 ) / 0 . 9 ] 1 00 . 1 5 ( )Nm ??? ? ? ? ?? 2) 最大動(dòng)態(tài)摩擦力矩 對(duì)于 3級(jí)滾珠絲杠， 40%P? ?? ，由式 () m a x 0(1 40 % ) 0. 21 ( )PPT T N m? ? ? 3) 驅(qū)動(dòng)最大負(fù)載所耗轉(zhuǎn)矩 由公式 () 3m a x 10 / 2ahT F P ????? 31 3 3 5 .6 1 0 1 0 /( 2 0 .9 )2 .3 6 ( )Nm ??? ? ? ?? 4) 支承軸承所需啟動(dòng)扭矩 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 23 頁(yè) 共 41 頁(yè) 查軸承表： 對(duì)于 20? 的軸承，其 1 N m? ， 則 12 0 .1 5 0 .1 5 0 .3B b bT T T N m? ? ? ? ?。 由公式 () ，最大與最小機(jī)械傳動(dòng)剛度： 25m a x 0 .0 2 0 1 2 .1 1 0 6 6 6 /4 0 .1s AEK N mL ? ?? ? ?? ? ?? 25m i n 0 . 0 2 0 1 2 . 1 1 0 1 0 2 . 5 /4 0 . 6 5s AEK N mL ? ?? ? ?? ? ?? 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 22 頁(yè) 共 41 頁(yè) 最大和最小機(jī)械傳動(dòng)剛度： m a x m i n 11 7 7 . 7 /1 / 1 / 1 / 1 / 1 0 2 . 5 1 / 5 5 6 . 2 5 1 / 7 6 0o s C BK N mK K K ?? ? ?? ? ? ? m a x m a x 11 2 1 6 . 6 8 /1 / 1 / 1 / 1 / 6 6 6 1 / 5 5 6 . 2 5 1 / 7 6 0o s C BK N mK K K ?? ? ?? ? ? ? 由于機(jī)械傳動(dòng)裝置引起的定位誤差據(jù)公式 () 0 0 m i n 0 m a x1 1 1 1( ) 8 4 . 6 5 ( ) 0 . 77 7 . 7 2 1 6 . 6 8k FmKK??? ? ? ? ? ? 對(duì)于 3 級(jí)滾珠絲杠，其任意 300mm 導(dǎo)程公差為 12m?? ，機(jī)床定位精度0. 02 4 / 30 0mm mm，所以， 24 1 / 5 m??? ? ?，可以滿足由于傳動(dòng)剛度變化所引起的定位誤差小于（ 1/3 1/5）機(jī)床定位精度的要求。 （ 4） 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度由公式 ()計(jì)算： 42 4 . 87 . 8 4 2 6 9 6 . 1 /1100TK N m r?? 由文獻(xiàn) [7,8]得： 平移物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2 4 23 3 8 6 0 . 0 1( ) 8 . 7 5 1 09 . 8 1 2J k g m? ? ?? ? ? 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 2 2 21 1 1()8 8 4s s s s sJ m d d d L??? ? ? ? 34421 3. 14 7. 85 10 1. 15 0. 02 5323. 46 10 k g m?? ? ? ? ? ??? 10zJ kg m??? 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率按公式 ()計(jì)算 : 426 96 .1 15 37 .8 6 / 14 69 2. 9 / m i n3. 46( 8. 75 1. 5 ) 103T rad s r? ?? ? ?? ? ? 顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r/min，可以滿足要求。螺母座剛度 100 0 /HK N m?? 。 （ 2） 臨界轉(zhuǎn)速 由公式 () 2 6 4 22 2 0 .1 1 0 3 .1 7 1 044A d m?? ??? ? ? ? ? ? 1 2 5 1 1 0 0 8 5 06 5 0 4 0 8 7 7 . 5 0 . 922cLm?? ? ? ? ? ? 取 1 1cL L m?? ， 2 m a x20 . 0 2 0 19 9 1 0 4 . 7 3 0 4 4 5 6 . 5 / m in 1 5 0 0 / m in1crn r n r? ? ? ? ? ? 滿足要求。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第 20 頁(yè) 共 41 頁(yè) 校核 （ 1） 臨界壓縮負(fù)荷 軸向固定的長(zhǎng)絲杠在承受壓縮負(fù)荷時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其壓桿穩(wěn)定性。在本設(shè)計(jì)中采用雙螺母墊片預(yù)緊?；?z1 = 20 , z2 = 25 滾珠絲杠的計(jì)算及選擇 （ 1） 滾珠絲杠導(dǎo)程的確定 在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)和絲杠直接相連，傳動(dòng)比為 1i? ，設(shè)電機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速為m ax 150 0 / m innr? ，則由公式 ()可得絲杠導(dǎo)程為： 3m a x