基于PLC的智能自动分度控制技术

　　在汽车、拖拉机零部件的许多加工领域需要对各类加工工件的端面或圆周面进行均匀分度。传统的分度是采用定位卡盘和定位销的机械构件进行分度定位，对不同型号和不同要求的工件进行加工时。由于所需分度位数不同，要求更换不同的卡盘。需准备多套与之配套的定位卡盘。随着定位卡盘和定位销使用次数的不断增加，存在着机械磨损，从而导致不能准确均匀分度，加工精度变差。我们设计研制的智能自动分度控制系统，是基于可编程序控制器(PLC)，利用其功能指令中脉冲输出指令控制步进电动机，通过软件编程技巧消除均匀分度的累积误差，从而实现智能、随机、精密、自动分度的定位控制。该智能自动分度控制系统，根据加工工件均匀分度所要求的分度值不同，即可准确实现各种工件端面随机均匀分度，亦可准确实现其圆周面上随机均匀分度。此智能自动分度控制系统具有以下特点：

　　1)针对不同加工工件的需要，通过两位拨码开关输入分度位数，范围可以从2到99。

　　2)PLC根据输入的分度位数值，通过精确运算处理，输出一定的脉冲量，从而控制步进电动机准确定位。

　　由于选取步进电动机的步距角为0.9°，步进电动机不加细分控制时，控制精度可达到0.9°/N；步进电动机加入细分控制时，理论控制精度最高町达的0.9°／N／M(其N为传动装置的传动比，肘为细分值)。

　　3)对在分度运算中存在余数造成的累积误差，进行软件编程实现消除处理，确保均匀分度的精确控制。

2 控制系统硬件设计

　　输入点：X1：原点；X2：自动；X3：手动；X4：启动；x5：分度正反转；x6：分度轴锁紧与松开；X20，x2l，X趋和X23：8421BCD拨码开关数字输入。

　　输出点：Y0：驱动步进电动机；Y1：分度正反向；Y2：分度轴锁紧；Y4和Y5：8421 BCD拨码开关输入控制。

　　根据分度要求及一般机械加工装置所需的输入输出点数，主控制单元采用日本三菱公司的FXlr40MT型PLC。该PLC体积小、功能强、性价比高，且具有定佗控制及脉冲输出功能。其系统输入、输出点和拨码开关控制系统原理如图1所示。该智能自动分度控制系统是针对各种类型加工工件的精密分度，分度位数根据要求可由2至99个之间随机选取，利用两位8421 BCD拨码开关实现加工分度位数的输入。拨码开关输入控制由PLC输入点x20。x21，x22和x23，及输出点Y4和Y5协同实现。

图1控制系统原理图

　　在实际应用的多轴数控系统中，通常的定位控制是采用PLC加定位模块实现。但当进行定位控制的定位轴较少时，可直接利用PLC本身的高速脉冲输出口控制驱动步进电动机，这样控制方法简单方便，又可降低控制成本。

　　FxlN-40MT型PIE，具备简易的定位控制及脉冲输出功能。其输出点Y0具有脉冲输出功能，输出脉冲频率最高可达100 kHz。选取的步进电动机驱动器SH2046M是采用高速单片机技术开发的细分驱动器。该驱动器采用商频脉宽调制技术，具有噪音低、效率高、电压范围宽、设置灵活、运行平稳等优点。步进电动机采用86BYG402永磁感应式步进电动机，其步距角为0.9°。完全可以满足精确分度的要求。

　　如图1所示，PLC的输出端Yo(脉冲输出)控制驱动步进电动机实现均匀分度；PLC的输出端Y。控制步进电动机分度的旋转方向。PLC脉冲输出端Y0、输出端Yl的公共端COM0与PLC的24 V地COM相连。步进电动机驱动器的输入信号公共端OPTP与PLC的+24 V电源相连。PLC的脉冲输出端Y0外接1.8 kfl的限流电阻连接至步进电动机驱动器的脉冲输入端CP，用于驱动步进电动机旋转分度。PLC的输出点Y1。外接1.8 kΩ的限流电阻连接至步进电动机驱动器的方向输入端DIR，用于控制步进电动机的旋转方向。以此来实现智能、自动精确分度的硬件连接。

3 控制系统软件设计

　　3.1 拨码开关控制实现

　　数据拨码开关是将十进制自动转换为8421BCD码的编码电路模块。按动“+”或“-”按钮，自动实现十进制数加1或减1，同时在相应的DCBA输出端产生8421BCD码。

　　在此智能自动分度控制系统中，采用两位拨码开关，根据工件分度位数，在2到99之间由用户选择直接输入。软件编程运用FX1N系列PLC的数字开关指令FNC72。直接读出拨码开关所设置的数据。其指令示意图如图2所示。

图2数字开关指令

　　3.2 PLC脉冲输出控制驱动步进电动机的实现

　　FX1N系列PLC的功能指令FNC57和FNC59，分别为脉冲输出PLSY指令和可调脉冲输出PLSR指令。指令示意如图3、图4所示。

　　由图3可知，运行PLSY指令可在PLC的输出端Y0输出设定数量和频率的脉冲。操作数[S1·]用来设定脉冲频率。操作数[S2·]用来设定输出的脉冲个数。若设定脉冲数为0。则持续产生脉冲，控制步进电动机持续旋转。操作数[D·]用来设定脉冲输出元件，只可使用可编程序控制器的Y0或Y1。图3中所示的指令是当可编程序控制器PLC的输入点X4有ON时，输出端Yo输出频率l 000 Hz的脉冲，输出脉冲的个数由通用数据寄存器Do中的数据确定。当要求步进电动机具有较高转速时，需采用具有加减速功能的脉冲输出指令PLSR来实现。加减速功能的脉冲输出指令PLSR如图4所示，其操作数[S1·]用来设定最高频率；[S2·]用来设定输出的脉冲个数；而操作数[S3·]是用于设定加减速时间(50—5 000m)；操作数[D·]设定脉冲输出元件，对此系列可编程序控制器只能使用输出端Y0或Y1。

图5分廑程序漉程圈

　　3.3 分度控制软件设计

　　实现智能自动分度系统的工作过程是：从原点开始。完成1个定位位的加工。使轴锁紧电磁阀复位松开，从而驱动步进电动机带动工件轴旋转一个角度，实现下一分度定位；之后轴锁紧电磁阀置位锁紧，保持此分度定位固定不动，以便进行加工。根据设定拨码开关输入的分度数，依次在圆形工件的端面或圆周面完成要求均匀分布的分度位。软件结构根据工作过程控制要求而设计，主要通过PLC实现定位控制及输出脉冲驱动步进电动机分度，即对输出口Y0的脉冲输出功能进行编程实现。

　　由于选用的步进电动机的步距角为0.9°，即可编程序控制器PLC的脉冲输出口Yo每输出一个脉冲数，步进电动机输出轴就转动0.9°，当传动装置的传动比为N：1。其驱动工件转动0.9°／N角度。工件转动一周即360。时k需要输出的脉冲总数为360°÷0.9°／N。若需均匀分度位数为rt。则PLC的输出口Y。需输出0.9°／N÷n个脉冲，驱动控制步进电动机实现一次分度。由于在n的取值范围中，具有使表达式0.9°／N÷n存在余数的值。如果不对余数进行科学处理，那么在最后一个分度位和第一个分度位之间必然产生累积误差，从而影响分度精度。因此在输出分度脉冲的编程设计中，每进行一次分度．将余数累加一次；在下一个分度之前，先将累加值与拨码开关设定值n进行比较，当累加值大于11,时。将累加值减去n，同时将输出脉数加一后再进行输出分度；若累加值小于n值，Y0输出原有脉冲个数进行分度输出，同时仍将余数累加一次。以此使均匀分度中任意相邻两分度位的误差小于步进电动机的一个步距角。在加工工件上分度误差不会超过0.9°／N度。其分度程序流程图如图5所示。

　　PLC通用数据寄存器D2中，读入拨码开关设定分度位数n；将整体需输出的脉冲总数360°÷0.9°／N值，存人通用数据寄存器D0中；利用PIE的功能指令FNC23(除法指令DIV)进行除法运算。如图6所示，其商送到通用数据寄存器D4，余数送到通用数据寄存器D5。余数的累加单元使用通用数据寄存器D6，它在开始分度之前处于清零的状态。

图6除法指令

4 结束语

　　此智能自动分度控制系统，可用于加工汽车、拖拉机等零部件需均匀分度的机床上。以此构成的数控系统已用于精密镗孔及感应加热中大齿轮的单齿淬火，通过对现场生产产品进行检验，完全满足生产要求，使用效果良好。相关的《多用精峦数控机床自动分度技术的研究》科研项目2008年通过河南省科技厅鉴定为国内领先水平。