0 引言

　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常遇到大行程、高精度的運(yùn)動(dòng)控制要求。定位控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是精確控制刀具或物料的移動(dòng)完成對(duì)各個(gè)定位點(diǎn)的加工。如果采用全功能數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定位控制功能，這種系統(tǒng)雖然功能完善，但其價(jià)格昂貴。而且許多功能對(duì)于中低端機(jī)床的定位控制是多余的。目前中國(guó)國(guó)內(nèi)廣泛使用的是利用PLC或?qū)Ｓ每刂破骺刂撇竭M(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)定位控制。伺服電機(jī)精度高，成本也高。步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)一般都為開環(huán)控制，當(dāng)啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大時(shí)，易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象；在停止時(shí)也會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速過高出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，因此為保證其控制精度，應(yīng)處理好步進(jìn)電機(jī)升、降速問題。針對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制中丟步或失控的情況，采用給步進(jìn)電機(jī)安裝編碼器，解決丟步或失控問題，取得了一定的效果；通過優(yōu)化步進(jìn)電機(jī)升降速曲線來改善步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能；設(shè)計(jì)具有失步補(bǔ)償?shù)牟竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；采用光柵尺，實(shí)現(xiàn)了較高的精度，但成本較高，主要應(yīng)用于較短距離的精密定位控制。當(dāng)進(jìn)行很大行程定位時(shí)，無法消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的固有誤差。

　　通過上述的分析，提出采用帶型磁柵尺位移傳感器，將工件位移轉(zhuǎn)換成高速脈沖信號(hào)，實(shí)時(shí)反饋給PLC，構(gòu)成位置閉環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)。通過觸摸屏設(shè)置定位長(zhǎng)度和操作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)物料的單段定位和多段連續(xù)精確定位。

1 利用高速脈沖指令實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)伺服控制原理

　　帶型磁柵尺是在帶型非導(dǎo)磁材料上涂上一層磁膠，在這條磁性帶上記錄N極和S極相間變化的磁極，采用拾磁磁頭讀取記錄在磁尺上的磁信號(hào)，并通過檢測(cè)電路將信號(hào)送入控制系統(tǒng)的位置環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料位移的精確測(cè)量，文獻(xiàn)中對(duì)磁柵尺的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。文獻(xiàn)中，采用增量編碼器，結(jié)合使用高速脈沖計(jì)數(shù)器，采用觸發(fā)中斷的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)軸的精確定位，但仍然不能消除同步帶等傳送機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的誤差。而采用帶型磁柵尺，將送料小車實(shí)際運(yùn)行的距離實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，通過與設(shè)定值比較，計(jì)數(shù)相等時(shí)觸發(fā)中斷，控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行，這種方式實(shí)現(xiàn)定位可以消除傳動(dòng)部分產(chǎn)生的固有誤差，能夠達(dá)到較高的精度。

　　基于西門子S7-200PLC控制同步齒形帶運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)框圖如圖1所示。PLC通過PTO高速脈沖指令發(fā)出高速脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)同步輪帶動(dòng)齒形帶，齒形帶帶動(dòng)切割鋸水平運(yùn)動(dòng)，切割鋸的移動(dòng)距離通過磁柵尺產(chǎn)生AB相正交高速脈沖。輸入到PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的值與設(shè)定值比較，當(dāng)送料臺(tái)移動(dòng)與距離即型材待鋸切的長(zhǎng)度與觸摸屏的設(shè)置值相等時(shí)．觸發(fā)中斷，使步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)行。達(dá)到定位的目的。

圖1 閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)構(gòu)成

2 位置閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)在塑鋼型材鋸切中心中的應(yīng)用

　　在研制塑鋼型材鋸切中心控制系統(tǒng)過程中，為了使送料機(jī)構(gòu)(x軸)能夠?qū)㈤L(zhǎng)達(dá)6000mm的塑鋼型材原料精確的定位到鋸切位置，并能夠?qū)崿F(xiàn)在多點(diǎn)定位，提出了位置閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

　　2.1 位置閉環(huán)步進(jìn)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　塑鋼型材的鋸切過程中。需要精確定位的有x軸：送料軸和z軸：刀具軸?？刂破鬟x用兩門子S7-200 PLC系列CPU 224XP。這款CPU集成了兩路高速脈沖輸出點(diǎn)(Q0.0和Q0.1)，最高輸出頻率為100KHz，用它來給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供高速脈沖，完全滿足頻率要求。CPU 224XP集成了多路高速脈沖計(jì)數(shù)單元可以用來接收磁柵尺反饋回來的位移脈沖信號(hào)。由于X軸與Z軸控制方式類似，下面就以X軸為例說明系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在x軸方向，磁柵尺直接固定在數(shù)控臺(tái)上，磁頭分別安裝在送料臺(tái)上，可隨導(dǎo)軌移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，并配有128細(xì)分的驅(qū)動(dòng)器。PLC可根據(jù)觸摸屏設(shè)定的長(zhǎng)度和段數(shù)，自動(dòng)的向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送高速脈沖，脈沖包絡(luò)曲線如圖2所示。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器將PLC的高速脈沖細(xì)分后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過同步輪、同步帶帶動(dòng)送料臺(tái)。當(dāng)送料臺(tái)推動(dòng)待加工塑鋼型材沿x軸移動(dòng)時(shí)，磁頭對(duì)型材的位移進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)脈沖傳送至PLC的脈沖捕捉端子。通過PLC內(nèi)部計(jì)數(shù)器和預(yù)算可以精確計(jì)算出型材移動(dòng)的距離。磁柵尺磁頭根據(jù)檢測(cè)送料臺(tái)的位移，產(chǎn)生AB兩路高速脈沖信號(hào)，傳送給PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)單元，從高速計(jì)數(shù)器讀取的值與程序設(shè)定的脈沖值進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值與設(shè)定值對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)相等時(shí)，觸發(fā)中斷，使電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。

圖2多段定位包絡(luò)裹

　　西門子S7—200 CPU 224XP支持六個(gè)高速計(jì)數(shù)器：HSC0到HSC5。每個(gè)高速計(jì)數(shù)器可以有12種模式可供選擇。本方案中x軸磁柵尺信號(hào)輸入選用HSC0，接線方式為：A接10．0，B接10．2，Z軸磁柵尺信號(hào)輸入選用HSC4，接線方式為：A接10．3，B接10．5。工作模式都選用模式10，即計(jì)數(shù)器設(shè)置為A／B相正交計(jì)數(shù)器，無啟動(dòng)輸入。使用復(fù)位輸入。計(jì)數(shù)方式采用4倍速計(jì)數(shù)模式，實(shí)現(xiàn)正反方向計(jì)數(shù)。

　　2.2 定位控制編程

　　西門子PLC軟件編程環(huán)境Microwin STEP7 V4．0提供了脈沖編程模塊PTO。利用PTO多段操作設(shè)計(jì)包絡(luò)表，如圖2所示。PLC高速脈沖從800Hz啟動(dòng)，正常運(yùn)行頻率為8kHz，當(dāng)距離定位點(diǎn)較短距離時(shí)，減速至800Hz慢速運(yùn)行。高速計(jì)數(shù)器的設(shè)定值與磁柵尺實(shí)際測(cè)量值相等時(shí)即當(dāng)實(shí)際長(zhǎng)度與設(shè)定長(zhǎng)度相等時(shí)，產(chǎn)生中斷，使步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)按照磁柵尺實(shí)際測(cè)鼉值實(shí)現(xiàn)定位。加工過程中會(huì)出現(xiàn)多點(diǎn)定位控制。在每個(gè)定位點(diǎn)均采用中斷產(chǎn)生定位的方法，通過編制單段定位控制子程序。并連續(xù)調(diào)用單段定位子程序的方法，實(shí)現(xiàn)每次加工過程中的多段定位控制。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3定位系統(tǒng)流程圖

　　2.3 系統(tǒng)回零的實(shí)現(xiàn)

　　由于每次加工塑鋼型材時(shí)，第一刀切割都是在型材的端部開始的，所以直接采用第一刀作為系統(tǒng)的零點(diǎn)，因此可以將數(shù)控系統(tǒng)必須回零點(diǎn)的步驟省略?；卦c(diǎn)采用行程開關(guān)就可以達(dá)到控制要求，為了實(shí)現(xiàn)高速回零，同樣采用上述定位控制中的方法，將之前送料小車走過的所有行程作為返回距離，控制步進(jìn)電機(jī)升降速，實(shí)現(xiàn)高速回零。如果需要精確回零，可采用文獻(xiàn)H1中提出的方法。在步進(jìn)電機(jī)軸上安裝增量編碼器，利用增量編碼器每轉(zhuǎn)一周發(fā)出的z相脈沖即原點(diǎn)信號(hào)脈沖進(jìn)行回零操作。

　　2.4 PLC控制程序

3 系統(tǒng)精度分析

　　基于磁柵尺的步進(jìn)電機(jī)位置伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)精度主要決定于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)和磁柵尺測(cè)量系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)步距角為1．8度，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用16細(xì)分(最大128細(xì)分)，即3200P／r，步進(jìn)電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周帶動(dòng)同步帶為32mm，即步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)精度0.1 mm；磁柵尺的分辨率為0.05mm，所以當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為16細(xì)分時(shí)，定位精度主要取決于磁柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)際加工工程中加工精度為0.06mm，符合塑鋼型材加工生產(chǎn)的工藝要求。

4 結(jié)束語

　　采用磁柵尺和PLC基本指令實(shí)現(xiàn)了送料臺(tái)單點(diǎn)和多點(diǎn)定位控制系統(tǒng)，雖然不是真正意義上的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，但能夠?qū)崿F(xiàn)較高的定位精度和運(yùn)行速度，使得行程較大的定位控制的技術(shù)門檻和研制成本大大降低，在很多場(chǎng)合可以替代原有昂貴的數(shù)控系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)成功應(yīng)用于塑鋼型材鋸切中心控制系統(tǒng)的開發(fā)中，取得滿意的定位精度，具有很好的推廣價(jià)值。