立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制

山曉媛+桑會(huì)慶

（沈陽機(jī)床股份有限公司中捷立加分公司 遼寧 沈陽 110142）

摘 要：開放式數(shù)控系統(tǒng)具有模塊邏輯獨(dú)立、接口標(biāo)準(zhǔn)化、柔性和可移植性好的特點(diǎn)，它滿足了制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求，成為數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。本文采用PC機(jī)GT-400-SV運(yùn)動(dòng)控制卡和PLC相結(jié)合的方式完成了進(jìn)給系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。本文所采用的方法同樣適用于類似形式的機(jī)床使用。

關(guān)鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)過程控制

1.步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)的基本參數(shù)：

（1）電機(jī)固有步距角；表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

（2）步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：指電機(jī)內(nèi)部的線囤組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.50°、五相的為0.36°/0.72°。

（3）保持轉(zhuǎn)矩（HOLDINGTORQUE）：指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)予的力矩。

（4）DETENT TORQUE：是指步進(jìn)電機(jī)沒有通電的情況下，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行要有一電子裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)，加以放大以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，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。

2.聯(lián)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動(dòng)控制器可以實(shí)現(xiàn)兩種軌跡的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)：直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)。描述復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡的最簡(jiǎn)單的方法是利用坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系內(nèi)能夠方便地描述運(yùn)動(dòng)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)又稱為坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)；多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)模式又稱為坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)控制模式。

運(yùn)動(dòng)控制器通過坐標(biāo)映射將控制軸由單軸運(yùn)動(dòng)控制模式轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)控制模式。在坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)控制模式下，可以實(shí)現(xiàn)單段軌跡運(yùn)動(dòng)，多段軌跡連續(xù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制器開辟了底層運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)多段軌跡快速、穩(wěn)定的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

（1）運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與控制軸的映射運(yùn)動(dòng)控制器利用一個(gè)四維坐標(biāo)系（X，Y，Z，A），描述直線、圓弧插補(bǔ)軌跡。對(duì)于數(shù)控車系統(tǒng)只需要利用二維（X，Y）坐標(biāo)系來描述運(yùn)動(dòng)軌跡。

通過調(diào)用GT_MapAxis（）命令將在坐標(biāo)系內(nèi)描述的運(yùn)動(dòng)通過映射關(guān)系映射到相應(yīng)的軸上。從而建立各軸的運(yùn)動(dòng)和要求的運(yùn)動(dòng)軌跡之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)傳遞關(guān)系。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)坐標(biāo)映射關(guān)系，控制各軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡。調(diào)用GTMapAxis（）命令時(shí)，所映射的各軸必須處于靜止?fàn)顟B(tài)。

簡(jiǎn)單的坐標(biāo)映射代碼如下所示：

Void MapAxis（）

{short rtn；

Double cnt1[5]={l，O，O，0，0）；/*根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置坐標(biāo)映射數(shù)組*/

Double cnt2[5]={0，1，0，0，0}；/*根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置坐標(biāo)映射數(shù)組*/

rtn：GT_MapAxis（1，cntl）；error（rtn）； /*映射第1軸到X軸*/

rtn=GT_MapAxis（2，cnt2）；error（rtn）； /*映射第2軸到Y(jié)軸*/）

}

如果控制軸1和控制軸2所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向由于某種原因不垂直。為了利用直角坐標(biāo)系X-O-Y描述運(yùn)動(dòng)軌跡，可以通過簡(jiǎn)單的變換得到如下的坐標(biāo)

映射關(guān)系：l號(hào)軸=X+Ytana

2號(hào)軸=Y/cosa

使用上述映射關(guān)系，可以方便地直接在直角坐標(biāo)系下描述運(yùn)動(dòng)軌跡。運(yùn)動(dòng)控制器自動(dòng)地完成傾斜補(bǔ)償運(yùn)算。坐標(biāo)映射代碼如下：

Void MapAxis（）

{short rtn；？

Double cnt1[5]={l，O，0，O，O}；

Double cnt2[5]={O，O，O，O，0}；

cntl[1]=tan（3），cnt2[1]=1/cos（3）；/*這里傾斜角度為3*/

rtn=GT_MapAxis（1，cntl）；error（rtn）；？rtn=GT_MapAxis（2，cnt2）；error（rtn）；

}

以次類推，坐標(biāo)平移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)比例變換（利用坐標(biāo)比例變換能夠方便地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度單位轉(zhuǎn)換）等計(jì)算功能都能夠通過坐標(biāo)映射實(shí)現(xiàn)。

（2）連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動(dòng)控制器在上一段軌跡運(yùn)動(dòng)未完成情況下，不接受新的軌跡運(yùn)動(dòng)命令。只有在前一軌跡運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，才可以發(fā)送新的坐標(biāo)系軌跡運(yùn)動(dòng)命令。為了方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制器提供了一個(gè)緩沖區(qū)?？梢韵葘⒉糠肿鴺?biāo)系運(yùn)動(dòng)命令存放在這個(gè)控制器內(nèi)部的循環(huán)隊(duì)列命令緩沖區(qū)，然后發(fā)出執(zhí)行命令。在運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行緩沖區(qū)內(nèi)存放的運(yùn)動(dòng)命令的同時(shí)，主機(jī)能夠繼續(xù)向這個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)下載運(yùn)動(dòng)命令。這樣就降低了對(duì)主機(jī)通訊實(shí)時(shí)性的要求，又提高了通訊效率。而運(yùn)動(dòng)控制器通過對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)的連續(xù)段運(yùn)動(dòng)軌跡信息的預(yù)處理，能夠獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性。

為了將軌跡運(yùn)動(dòng)命令存入緩沖區(qū)，首先需要對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行操作，在數(shù)控車系統(tǒng)中，經(jīng)常使用到的緩沖區(qū)操作函數(shù)如下：

GT_StnList（）-打開并清空緩沖區(qū)；

GT_MvXY（）-定位緩沖區(qū)坐標(biāo)起點(diǎn)（二維）；

GT_AddList（）-再次打開緩沖區(qū)；

GT_EndList（）-關(guān)閉緩沖區(qū)。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制器上電后，第一次采用坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，必須先調(diào)用GT_StnList（）命令進(jìn)入緩沖區(qū)命令輸入狀態(tài)；打開并清空緩沖區(qū)后，必須調(diào)用定位緩沖區(qū)起點(diǎn)的命令，這樣運(yùn)動(dòng)控制器將從當(dāng)前位置按照直線插補(bǔ)的方式移動(dòng)到該命令指定位置，并將速度減速到零，然后順序執(zhí)行后續(xù)的緩沖區(qū)命令；為了接續(xù)原有的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)命令，增加新的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)命令，可以調(diào)用GT_AddList（）打開已經(jīng)關(guān)閉的緩沖區(qū)，坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)命令發(fā)送完畢后，可以再次調(diào)用GT_EndList（）命令，關(guān)閉緩沖區(qū)，用于增加緩沖區(qū)內(nèi)的坐標(biāo)系命令，用戶可以多次調(diào)用GT_AddList（）。

可以存入緩沖區(qū)的命令主要是速度、加速度設(shè)置指令及直線、圓弧插補(bǔ)指令。數(shù)控車系統(tǒng)中常用的放入緩沖區(qū)的命令如下：

GT_SetSynVel（）-設(shè)置多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡切線速度；

GT_SetSynAcc（）-設(shè)置多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)軌跡切線加速度；GT_LnXY（）-兩維直線插補(bǔ)；GT_ArcXY（）-XY平面圓弧插補(bǔ)（圓心位置和角度為輸入）；GT_ArcXYP（）-XY平面圓弧插補(bǔ)（終點(diǎn)位置和半徑為輸入）；可以不斷向緩沖區(qū)中發(fā)送坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)命令，直到緩沖區(qū)滿。緩沖區(qū)滿時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器拒絕接收用戶輸入的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)描述命令，并返回緩沖區(qū)滿的信息。在啟動(dòng)緩沖區(qū)中的命令后，隨著命令的執(zhí)行，緩沖區(qū)會(huì)有新的空間，可以繼續(xù)發(fā)送更多的命令。

啟動(dòng)、停止緩沖區(qū)中的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)命令的函數(shù)有GT_StrtMtn（）、GT_StpMtn（）和GT_EStpMtn（）。調(diào)用GT_StrtMtn（）命令，緩沖區(qū)中的命令將順序執(zhí)行。在啟動(dòng)緩沖區(qū)中命令之前，必須確定運(yùn)動(dòng)控制器的緩沖區(qū)內(nèi)有運(yùn)動(dòng)描述命令可以被執(zhí)行，也就是說在此之前主機(jī)已調(diào)用過GT_StrtList（）和GT_MvxY命令。調(diào)用GT_StrtMtn命令后，不發(fā)關(guān)閉緩沖區(qū)命令GT_EndList，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)一邊將主機(jī)新發(fā)的坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)命令加入緩沖區(qū)，一邊執(zhí)行緩沖區(qū)中的命令；GT_StpMtn（）表示平滑停止坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)；GT_EStpMtn0表示緊急停止坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)。

3.步進(jìn)電機(jī)的PLC控制

3.1步進(jìn)電機(jī)的PLC控制原理

應(yīng)用PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要作用是解除進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)的限位，即解除X向和Z向的限位。還可以對(duì)進(jìn)給方向進(jìn)行手動(dòng)的快速移動(dòng)。

PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，主要是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制原理。向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。PLC可以方便的設(shè)置脈沖量。

3.2步進(jìn)電機(jī)的PLC控制程序

利用PLC內(nèi)部提供的延時(shí)閉合時(shí)間繼電器T33和T44，編制了寬度可調(diào)的脈沖發(fā)生程序，程序如圖3.1；當(dāng)I1.1接通時(shí)，PLC的輸出點(diǎn)Q2.4可產(chǎn)生一個(gè)脈沖量。

控制步進(jìn)電機(jī)除了一個(gè)沖量之外還需要一個(gè)控制旋轉(zhuǎn)方向的量。步進(jìn)電機(jī)的PLC控制程序如圖3.2；

結(jié)論

本文研究了步進(jìn)電機(jī)的控制原理，深入闡述了運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)過程，實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制功能。

參考文獻(xiàn)

[1]胡育輝.數(shù)控加工中心.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，2—10.