西门子模块6ES7323-1BH01-0AA0功能参数

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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、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、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。4PLC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,满足工艺要求和加工精度要求

  步进电机位移与输入脉冲信号数相对应，精度高、响应特性好、性高、速度可在较宽范围内平滑调节，是控制系统中一种重要的自动化执行元件。
    SCM(Single Chip Microcomputer，单片机)是把组成微型计算机的处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器／计数器等制作在一块集成电路芯片中，它具有小巧、低功耗、指令系统丰富等优点，成为工业控制的主角。
    PLC(Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器)是以微型计算机为的一种工控机。其控制方案能事行模拟调试，自身设计采用了冗余措施和容错技术。由于PLC通用性强，编程操作方便，扩展灵活，性高，应用几乎覆盖各个工业领域。
    步进电机的电脉冲信号若由SCM产生，就构成以SCM为的控制系统。若电脉冲信号由PLC产生，就构成以PLC为的控制系统。
1 步进电机驱动方式
    反应式步进电机频率响应快、可双向旋转、定位准确、起停速度快，因而使用多，具有代表性。三相反应式步进电机定子有6个等间隔的磁，线圈绕过相互正对的两个磁构成一相，共有A—A、B—B和C—C三相。根据步进电机的工作原理，若按顺序给步进电机的绕组施加有序的脉冲电流即可控制步进电机的转动，从而进行数字到角度的转换。转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动的方向则与脉冲的顺序有关。
    从一相通电转到另一相通电称为一拍，对三相反应式步进电机来说，若按A→B→C→A顺序通电，则称为单相三拍运行方式。若按A→AB→B→BC→C→C→A→A顺序通电，则称为三相六拍运行方式。若按AB→BC→CA→AB顺序通电，则称为双相三拍运行方式。一般数字电路的信号能量远远不足以驱动步进电机，要有一个与之匹配的驱动电路来驱动步进电机。驱动电路不仅应该包含由功率开关器件构成的驱动主电路，还应包含一个逻辑单元，在输入脉冲序列的作用下输出定子绕组通电状态，控制主电路功率开关器件的导通与关断。典型的驱动电路主要有全电压，恒流斩渡，升频升压等形式。
2 基于SCM的步进电机控制方法
    2.1 控制原理
    SCM的P1口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2分别输出控制脉冲，通过7406驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，再分别控制三相步进电机的A、B、C三相。根据P1口输出控制信号的状态，即可实现对步进电机的正反转控制。
    步进电机工作在三相六拍时的控制字。从中可以看出，步进电机个控制字数据为01H，从上到下输出控制字时，电机正转，自下而上输出控制字数据时，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出一个控制字后加入一定的延时时间，即可控制步进电机的转速

    2.2 控制程序
    设SCM工作寄存器R3中存放了步进电机要走的步数，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1(D5H)中，当F1为“0”时步进电机正转，F1为“1”时步进电机反转。正转控制字存放在片内数据存储器20H～25H中，26H中存放结束标志00H。在27H开始的存储区存放反转控制字，在2DH单元存放结束标志00H。SCM可以采用程序延时和定时器延时。下面利用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲。
3 基于PLC的步进电机控制方法
 
    本文以OMRON的CQM1型机为例，分析通过PLC的软件设计来实现步进电机的脉冲分配。
    由移位寄存器SFT(10)指令循环输出实现脉冲分配，步进电机工作在三相六拍时的状态由内部辅助寄存器IR016的00～05继电器控制，为实现循环控制，由6位信号01605作为反馈信号接到SFT的数据输入端IN。SFT的移位脉冲输入端CP可由PLC内部高速定时器通过编程实现，本设计中为方便起见。采用了内部特殊继电器SR25500。SFT的复位输入端R接步进电机停止信号，该端为ON时，数据通道IR016的所有位置0，并且不接受数据输入。
    IR016与步进电机通电绕组的对应关系，在步进电机正转时，当移位数据信号移到位时。移位寄存器SFT位01600的输出应接通步进电机的A相；移到二位时，应接通A相和B相；其余如此类推。以A相绕组为例，当辅助继电器01600、01601、01605中任一个接通时(并联关系)，A相通电。移位寄存器每一位的输出信号动与步进电机各相对应的输出继电器，再由输出继电器通过功率放大器驱动步进电机。

工作过程简单描述如下：由输入端00000得电发出启动信号，微分指令DIFU(13)保证移位寄存器SFT(10)指令中移位数据初始信号01600的性。移位寄存器在移位脉冲的作用下顺序左移，实现6位脉冲分配，由输出继电器10000、10001、10002分别去接通步进电机的A、B、C三相。步进电机转速可由移位寄存器SFT的脉冲输入端控制，转向由继电器02603控制。当输入端00001无效时，KEEP(11)指令的置位端02600保证02603得电且保持该状态，电机正转；当00001为ON时，KEEP(11)指令的复位端02601使02603失电而恢复原状态，电机反转。

4 结束语
    比较步进电机的SCM和PLC的控制方法可知。SCM采用定时器延时，以中断方式输出控制脉冲；PLC采用移位指令和内部特殊继电器，以循环顺序扫描方式输出控制脉冲。SCM采用汇编语言(或C语言)编程，其指令系统的同有格式受硬件结构的限制很大，编写和调试要求具备一定语言程序设计基础；而编写PLC程序，即可以采用语句表(助记符)，又可以采用梯形图，梯形图简单易懂，通过图形编程器实现。SCM控制系统设计周期长，一般需要程序扩展，硬件方面需要经过印刷电路板设计等过程；PLC控制系统采用模块化结构，可在线修改控制程序，并实现实时监控，因而设计。PLC系统扩展灵活，可以在原有控制系统基础上进行功能扩展，能有效降，适应于复杂的工业控制环境。
    用SCM和PLC来实现步进电机控制脉冲的产生和分配，可以通过编程在一定范围内自由地设定步进电机的转速，而且还可以灵活地控制步进电机的运行状态。这两种控制方式都不需要反馈就能对位置或速度进行控制，且位置误差不会积累；用软件编程代替硬件控制，不仅减少了系统设计的工作量，而且提高了控制系统的性

在许多场合，因为步进电机的电流电压较高，比如有的步进电机大输出电流8A，电压325V，再加上其外壳未采用铝合金外壳进行磁屏蔽，因此对高灵敏的系统造成干扰，使其无法工作，并且干扰电源，尤其在时，可能造成控制系统的单片机和上位机无法进行正常通讯，严重者造成单片机死机，给正常使用造成了困难，因此干扰问题加以解决。
1、加装电源滤波器，减少对交流电源的污染。
2、“一点接地”原则。将电源滤波器的地、驱动器PE（地）（驱动器与机箱底板绝缘）、控制脉冲PULSE-和方向脉冲DIR-短接后的引出线、电机接地线、步进驱动器与电机之间电缆防护套、驱动器屏蔽线均接到机箱壁上的接地柱上，并要求接触良好。
3、尽量加大控制线与电源线（L、N）、电机驱动线（U、V、W）之间的距离，避免交叉.比如我们在处理双轴驱动系统中两个处在同一机箱的驱动器安装位置时,一个驱动器铭牌朝前，另一个则朝后，并在结构布置上使这些引线尽量短。
4、使用屏蔽线减轻外界对自己的干扰，或自己（电源线）对外界的干扰。

1、引言

大型轴承内、外套上的分度、打孔是轴承中的关键工序,它的工艺水平和质量的高低直接影响轴承的质量、寿命和制造成本。目前轴承行业大型轴承内、外套的分度方式普遍采用人工分度方式,其分度精度低、累积误差大、工作效率低、工人劳动强度大，对轴承性能的提高造成很大的影响。我们所研制的大型数控分度头,采用PLC可编程控制器,控制步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行自动分度，结构简单、制造，较好地解决了生产中的实际问题。

2、总体设计方案

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。其重要特点是只有周期性的误差而无累积误差。步进电机的运行要有步进电机驱动器这一电子装置进行驱动，这种装置就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说:控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机定位。

在我们所设计的数控分度头中，就是利用这性关系，用PLC进行电气控制、编写分度算法程序，控制脉冲信号的频率和脉冲数，步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行分度，并可实现调整、手动分度、自动分度等多种电气控制。

电气控制方案为PLC+步进电机及可细分驱动器+数显尺。PLC选用DVP20EH00T，AC220伏供电20点200HZ晶体管输出类型;根据分度精度要求考虑，选用可细分驱动器及步进电机，考虑分度时对工件的扭矩M=FR=fNR,计算出大扭矩为27Nm。按矩频特性选取步进电机,选130BYG350A型三相混合式步进电机及配套细分驱动器MS-3H130M。
PLC的I/O配置如下表：

I0.0　　　　调整/分度　　　　　　Q0.0　　　脉冲数
I0.1　　　　急停　　　　　　　　 Q0.1　　　花盘上升
I0.2　　　　步进转位　　　　　　 Q0.2　　　花盘下降
I0.3　　　　花盘卡紧/松开　　　　Q0.3　　　故障指示
I0.4　　　　花盘上升/下降　　　　Q0.4　　　方向
I0.5　　　　自动分度　　　　　　 Q0.5
I0.6　　　　调整启动/结束　　　　Q0.6
I0.7　　　　驱动器信号　　　　　 Q0.7
I0.10-I0.13　孔数设置
 

该数控分度头在径向安装数显尺来控制径向分度尺寸;由PLC控制步进电机轴向分度。操作人员启动电源,输入分度数后,调整/分度开关置于分度位置即可实现手动或自动分度。在自动分度中可实现分度机构的松开、上升、分度、下降、卡紧再松开的顺序控制

3、分度算法

设总孔数为D2,总脉冲数D0，分度脉冲可计算为:D0/D2=D4+D5(余数)。若D5=0时,步进电机每转动一次,电机转角控制脉冲均为D4。若D5≠0时,将D5与孔数的一半(D2/2=D8)进行比较，若小于孔数的一半，步进电机先按D4个脉冲分度，步进电机每转过一个分度角，余数D5累积一次，当累积数大于D8时，步进电机则按D4+1个脉冲分度一次，此时累积数减去D4+1脉冲的余数即D2-D5，然后再按D4个脉冲分度，依次类推直至分度完毕;若余数大于孔数的一半，步进电机先按D4+1个脉冲分度，余数按D2-D5累积，当累积数大于D8时，步进电机则按D4个脉冲分度一次，此时累积数减去D4脉冲的余数D5，然后再按D4+1个脉冲分度，依次类推直至分度完毕。这样的分度算法，使孔与孔之间的分度误差始终小于一个脉冲当量，可以实现在3600转角误差为0的分度精度要求。

4、结束语

该大型数控分度头应用于1000mm～2000mm的轴承内、外套的分度。主要优点为:(1)分度精度高。驱动器在细分10000工作状态下，孔孔之间分度误差可控制在7.3μm,可以实现3600转角误差为0的分度精度要求，满足了工件的分度要求。(2)工作效，分度速度快。选用的PLC频率为200HZ，在自动分度工作状态下，50个孔的分度工作不足十分钟即可完成。(3)操作灵活、简便。该数控分度头实现调整(不分度)、手动或自动分度等电气操作。人工分度方式需要测量、画线等费工费时,由PLC控制的步进电机自动分度方式只需输入分度数,即可实现分度的多种控制。(4)该数控分度头经济、实用。投入使用后，较好地解决了以往大型轴承内、外套的分度存在的问题，提高了轴承产品质量,降低工人劳动强度。