采用可编程控制器实现步进电机驱动的控制设计

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、制造费用低，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。在非超载的情况下，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，可以对电机精确调速;控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。

在我们所设计的数控分度头中，就是利用这一线性关系，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精确分度，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，计算出最大扭矩为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。驱动器在最高细分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）工作效率高，分度速度快。选用的PLC最高频率为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。