二軸PLC驅動步進電機的工作平臺設計

魏永吉 ，張晏嘉 ，郝 鵬 ，吳志東 ，何義波 ，曾 濤 ，李中盟 ，高威明，李鎮洵，周成宇

（1.安徽三安光電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.齊齊哈爾技師學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3.齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161000 ）

二軸PLC驅動步進電機的工作平臺設計

魏永吉1，張晏嘉2，郝 鵬3，吳志東3，何義波3，曾 濤3，李中盟3，高威明3，李鎮洵3，周成宇3

（1.安徽三安光電有限公司，安徽 蕪湖 241000；2.齊齊哈爾技師學院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；3.齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161000 ）

本次設計主要是設計一套T型的數控工作臺的進給系統，以三菱FX2N系列PLC作為控制核心，結合組態王上位機、步進電機驅動器等控制元件，設計基于PLC的步進電動機位置控制系統。開發的這套系統可以作為一套實驗室設備，可以用作教學還可以作為研究模型，強化現有的機床，這套設備可以很直觀的展現大型設備的三維形狀，教學或者研究起來多很方便，并且占地面積小，危險性低。

數字信號控制工作臺；步進電動機；PLC應用；系統模擬仿真

本次設計的主要內容是研究設計一套數控工作臺T型橫梁系統，可以實現數字化控制的工作臺在X軸與Y軸這兩個軸向進行運動。筆者通過本次設計的系統，去研究和分析復雜的動態對象，這樣一來可以用工作平臺來代替大型的機械裝備系統，從而減少對大型機械裝備的損壞。并且在設計和制造的裝備過程中，大大減少了寶貴的時間，一方面使用方便便捷，另一方面縮小資金浪費。通過設計開發這樣一套數控工作臺T型橫梁系統，可以使其作為一套完整的實驗室設備，提供給學生或是教學人員進行參考。無論是在教學方面，還是在科研方面都有著很重要的作用。

1 總體設計方案

1.1 設計內容

一般的數控機床組成部分包括控制介質、輸入輸出裝置、數控裝置、私服系統、測量反饋裝置和機床主機，如圖1所示。

圖1 數控機床的組成

根據要求以及對文獻的參考，完成數控工作臺的總體方案設計，本次設計的設計參數如下：

工作臺面積：600×700 mm；

工作臺行程：400×300 mm；

工作臺最大承重：800kg；

主軸伺服電機功率：7.5/11kW；

主軸轉速區間：20～6000r/m；

主軸最大扭矩：92N·m；

工作臺結構材料：Q235。

1.2 設計參數

0.01mm是我們這個系統分辨率的大小，其它的設計參數如表1所示。

表1 各部分設計參數

1.3 步進電機與絲杠選型

步進電動機與絲杠之間的連接方式用聯軸器直接連接的要求是系統的傳動比i=1，這樣可以很大程度減小結構的不必要麻煩，并且還可以使系統的精度得到一定的提高。 傳動比的公式是：

圖2 進給系統草圖

如圖2所示，查閱文獻選用的電動機型號為55BF009，翻閱書籍得到電動機的步矩角θb=0.9°，同樣的方法，滾珠絲杠的規格選為2004-3(FYND)，它的導程Lo=4mm。

由上述傳動比公式：

θb為步進電動機的步距角，Lo為滾珠絲杠導程,δp為系統脈沖當量。所以可以將步進電動機與絲杠用聯軸器直接連接。

2 數控工作臺進給系統機械設計

2.1 傳動系統等效轉動慣量

驅動電機的轉子轉動慣量JD=0.701kg·cm2

由已知得到絲杠的轉動慣公式：

JS=0.78×D4L×10-3kg·cm2，得

JS=0.78×24×340×10-3=0.424kg·cm2

工作臺轉動慣量JG，因為工作臺的材料是Q235，所以工作臺的質量為：

由于聯軸器的轉動慣量小故可忽略不計，總轉動慣量計算：

J∑=JD+JS+JG=0.0701+0.424+0.506=1.0004kg·cm2

2.2 導軌設計和計算

由于選擇的導軌為直線滾動導軌所以有：

每個滑塊的的工作載荷：

取硬度系數：fH=0.53、fT=1、fC=0.81、fW=2，

預設導軌壽命L=50km，則根據此壽命可算出：

Ca=3267k·N

故選導軌型號GDA20SV符合要求，查閱資料可知其

Ca=12.4k·N

2.3 選用驅動電機

（1）步距角選擇。已知脈沖當量由δp=0.01mm/脈沖

（2）步進電機輸出轉矩設計。查資料得步進電機轉矩MK與最大靜轉矩Mjmax的關系有：

MKq/Mjmax=0.707

加速度力矩：

空載摩擦力矩：

取傳動系統總效率η=0.8

G工作臺=66.052N

G絲杠=0.697×9.8=6.831N

3 控制系統硬件設計

3.1 控制方案

在傳統的控制器，如：常規模擬控制電路，PLC控制電路，計算機控制等中，最后筆者選擇PLC控制系統。所以變得更簡單，因為PLC的梯形圖控制繼電器系統的語言類似人物語言，不僅易學而且可靠，擁有著很多特殊的功能，并且在運輸過程中，有很好的防震抗水抗熱的功能，所以可以很高程度的減少損壞。

文章中的控制核心是三菱公司的FX2N系列PLC，結合組態王上位機與步進電機驅動器等控制元件。如圖3所示，其中組態王上位機軟件不僅可以實現在線的實時監控功能，還能替代以前老式的控制按鈕面板，這樣大大的節省了空間，并且還可以完成模擬仿真運行。

圖3 控制系統圖

3.2 電氣原理說明

通過翻閱有關于PLC及各種傳感器的設計與使用手冊，并了解整個系統在功能上的要求，最終確定電氣硬件部分設計內容與行進方向。

根據系統功能，對PLC的I/O點進行以下定義，如表2所示。

表2 PLC IO表

4 結語

在本次設計的整個過程，筆者整使用開環控制系統作為系統的核心，采用滾珠絲杠作為系統的傳動副。為了提高工作平臺整個系統的進給速度與控制要求，因此伺服系統采用了直流伺服電機作為外界驅動裝置。PLC采用模塊化結構，這種結構將有助于在短時間內修復故障，一旦發現模塊故障，可以快速修復，使系統恢復正常工作，也有助于快速找到問題的原因。它對步進電機具有良好的控制能力，對實現PLC控制步進電機的普遍控制電路設計具有實際的生產意義。

［1］王宗才.機電傳動與控制［M］.北京：電子工業出版社，2014.

［2］廖常初.PLC基礎及應用［M］.北京：機械出版社，2010.

［3］金沙．PLC控制系統的構成與調試［M］.天津：化學工業出版社，2012.

魏永吉（1985-），男，吉林松原人，大學本科，主要研究方向：設備自動化控制技術。