西门子驱动6SL3120-1TE13-0AA4

西门子驱动6SL3120-1TE13-0AA4

1 概 述
在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其**的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。
2 PLC控制的数控滑台结构
一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。
3 数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的控制因素主要有三个：
3.1 行程控制
一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服机构的位移量（mm）
d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）
3.2 进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d (Hz) (2)
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)
3.3 进给方向控制
进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

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4 PLC的软件控制逻辑
由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。
5 伺服控制、驱动及接口
5.1 步进电机控制系统的组成
步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种**芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。
5.2 可编程控制器的接口
如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，

6 应用实例与结论
将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

1　步进电机、脉冲与方向信号

步进电机作为一种常用的电气执行元件, 广泛

应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备

一个专门的驱动电源, 驱动电源的输出受外部的脉

冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进

电机旋转一个固定的角度, 这个角度称为步距角。脉

冲的数量决定了旋转的总角度, 脉冲的频率决定了

旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个

传动速比确定的具体设备而言, *距离、速度信号

反馈环, 只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备

移动部件的移动距离和速度; 而方向信号可控制移

动的方向。因此, 对于那些控制精度要求不是很高的

应用场合, 用开环方式控制是一种较为简单而又经

济的电气控制技术方案。

另外, 步进电机的细分运转方式非常实用, 尽管

其步距角受到机械制造的限制, 不能制作得很小, 但

可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来

的每个整步分成m 个小步来完成, 以提高设备运行

的精度和平稳性。

控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数

控系统, 但对于一些在运行过程中移动距离和速度

均确定的具体设备, 采用PLC (可编程控制器) 是一

种理想的技术方案。

2　控制方案

在操作面板上设定移动距离、速度和方向, 通过

PLC 的运算产生脉冲、方向信号, 控制步进电机的

驱动电源, 达到对距离、速度、方向控制的目的,

1。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离, 速度旋

钮控制移动的速度, 方向按钮控制移动的方向, 启ˆ

停按钮控制电机的启动与停止。

在实际系统中, 位置与速度往往需要分成几挡,

故位置、速度旋钮可选用波段开关, 通过对波段开关

的不同跳线进行编码, 可减少操作面板与PLC 的连

线数量, 同时也减少了PLC 的输入点数, 节省了成

本。一个n 波段开关的较多挡位可达到2n。

在对PLC 选型前, 应根据下式计算系统的脉冲

当量、脉冲频率上限和较大脉冲数量。

脉冲当量= 步进电机步距角×螺距

360×传动速比

脉冲频率上限= 移动速度×步进电机细分数

脉冲当量

较大脉冲数量= 移动距离×步进电机细分数

脉冲当量

根据脉冲频率可以确定PLC 高速脉冲输出时

需要的频率, 根据脉冲数量可以确定PLC 的位宽。

同时, 考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿

命, PLC 应选择晶体管输出型。

步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率

为原则, 一般可选择2、5、10、25 细分。

编制PLC 控制程序时应将传动系统的脉冲当

量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量,

以便现场调整。

3　应用实例

1 3

笔者应用PLC 脉冲控制步进电机的技术, 对生

产上引法无氧铜管的设备进行了电气控制。

上引法无氧铜管的生产过程是: 将电解铜加入

工频感应炉, 使其熔化成铜液, 在铜液中浸入1 个通

有冷却水的结晶器, 流入结晶器的铜液经过0. 5～ 3

s 后, 便结晶成了固态铜管。然后, 一边由引棒将固

态铜管从结晶器中导出, 一边重复上述结晶过程, 慢

慢地将固态铜管牵引至摩擦压轮, 以后根据工艺间

隔时间由步进电机带动摩擦压轮, 将固态铜管源源

不断地从结晶器中牵引出来。牵引出来的铜管依次

进入校直、轧管、盘管、冷拉等工序, 生产出不同规格

的自来水管或空调、冰箱的热交换器用铜管。

设备应满足如下的生产工艺要求:

引管距离6 挡ˆ(mm ·次- 1) : 2、2. 5、3、3. 5、4、

5;

引管速度7 挡ˆ(mm ·m in- 1 ) : 115、130、140、

150、160、170、180;

牵引与结晶时间比: 1∶1;

引管方式: 间歇式;

牵引方向: 不变;

设备运行: 连续。

可见, 距离开关为6 挡, 速度开关为7 挡, 组合

后共有42 种牵引方式。根据计算, 距离、速度信号各

需3 个输入点就能达到设定的挡数要求, 启ˆ停按钮

需1 个输入点。根据工艺要求, 牵引方向不变, 故操

作面板上不设置方向按钮, 步进电机的旋转方向不

通过PLC 来控制, 而是采用直接跳线来完成设置。

脉冲信号需1 个输出点, 信号灯需2 个输出点。步进

电机采用25 细分工作模式, 以避开电机的共振频率

区。PLC 选用了具有8 个数字量输入点、6 个数字量

输出点的S IEM EN S 公司生产的S IMA T IC S7-

200 CPU 222。另外, 在控制程序中用多段管线操作

设计了电机的升降过程, 以满足大负载启动的要求。

电气控制原理见图2。

图2　电气控制原理

制作时, 首先将面板上的距离、速度波段开关按

图2 进行跳线, 完成二进制编码, 这样节省了7 个

PLC 输入点, 简化了连接, 提高了系统可靠性, 同时

也降低了设备的制造成本; 然后将各波段开关、按钮

的输出与PLC 相连。设备运行时, PLC 根据操作面

板上各开关的设定位置, 由控制程序产生某一频率

和数量的高速脉冲, 并将其输出至PCB, 由PCB 完

成电平转换。转换后的电平信号送至步进电机驱动

器, 拖动步进电机按设定的速度旋转相应的角度, 较

终达到控制距离和速度的目的。

4　结论

该设备经3 个多月的运行考核, 证明将PLC 脉

冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中,

具有控制简单、稳定、等特点, 是一种切实可

行的电气控制方案。