鉆床(wo)-搖臂鉆床自動送料,鉆床,wo,搖臂,自動 PLC 直 接 控 制 的 電 液 步 進 液 壓 缸 康 晶 1 , 孟 廣 耀 2 (11 大 連 民 族 學 院 , 大 連 116600 ; 21 青 島 建 筑 工 程 學 院 , 青 島 266033) 摘 要 : 采 用 可 編 程 控 制 器 ( PLC) 直 接 控 制 數(shù) 字 電 液 步 進 液 壓 缸 , 可 使 液 壓 系 統(tǒng) 的 控 制 系 統(tǒng) 簡 潔 、 可 靠 、 成 本 顯 著 下 降 。 文 章 介 紹 了 PLC 控 制 電 液 步 進 液 壓 缸 的 方 法 , 電 液 步 進 液 壓 缸 的 伺 服 控 制 、 驅(qū) 動 接 口 及 PLC 梯 形 圖 的 控 制 邏 輯 。 關(guān) 鍵 詞 : 電 液 步 進 液 壓 缸 ; 步 進 電 機 ; 可 編 程 控 制 器 ; 驅(qū) 動 接 口 ; 控 制 邏 輯 中 圖 分 類 號 : TH137151 文 獻 標 識 碼 : B 文 章 編 號 1001 - 3881 (2004) 4 - 124 - 2 Electro - hydraulic Stepping Cylinder Controlled Directly by PLC KAN G Jing1 , MEN G Guang2yao2 (11Dalian Nationalitied University , Dalian 11660 , China ; 21Qingdao Insititute of Architecture and Engineering , Qingdao 266033 , China) Abstract : Direct control of electro hydraulic stepping cylinder by means of PLC can make the control system of hydraulic system become simpler , cheaper and reliabler. The method of direct control of electro hydraulic stepping cylinder by means of PLC was de2 scribed. The driving interfaces of electro - hydraulic stepping cylinder and the control logic of software were founded. Keywords : Electro - hydraulic stepping cylinder ; Stepping motor ; Programmable controller ; Driving interfaces ; Control logic 0 引 言 數(shù) 字 式 電 液 步 進 液 壓 缸 是 由 步 進 電 機 和 液 壓 力 放 大 器 組 成 的 , 其 輸 出 力 可 達 上 萬 牛 頓 。 因 此 , 常 用 于 重 型 精 密 機 械 的 伺 服 進 給 系 統(tǒng) 中 , 如 軋 鋼 機 的 壓 下 機 構(gòu) 和 軋 輥 磨 床 的 進 給 機 構(gòu) 。 液 壓 力 放 大 器 是 一 個 直 接 位 置 反 饋 式 液 壓 伺 服 機 構(gòu) , 由 控 制 滑 閥 、 液 壓 缸 和 螺 桿 - 螺 母 反 饋 機 構(gòu) 組 成 , 見 圖 1。 當 步 進 電 機 在 輸 入 脈 沖 的 作 用 下 轉(zhuǎn) 過 一 個 步 距 角 時 , 經(jīng) 齒 輪 帶 動 滑 閥 的 閥 芯 旋 轉(zhuǎn) , 由 于 活 塞 尚 未 移 動 使 滑 閥 的 閥 芯 產(chǎn) 生 一 定 的 軸 向 位 移 , 閥 口 打 開 , 壓 力 油 進 入 液 壓 缸 使 活 塞 外 伸 同 時 反 饋 螺 母 帶 動 滑 閥 的 閥 芯 退 回 零 位 , 活 塞 停 止 運 動 。 如 果 連 續(xù) 輸 入 脈 沖 電 液 步 進 液 壓 缸 即 按 一 定 的 速 度 外 伸 , 改 變 輸 入 脈 沖 的 頻 率 即 可 改 變 活 塞 的 速 度 。 圖 1 電 液 步 進 液 壓 缸 是 增 量 式 數(shù) 字 控 制 電 液 伺 服 元 件 , 即 步 進 電 機 作 電 信 號 - 機 械 位 移 的 轉(zhuǎn) 換 元 件 。 圖 圖 2 2 是 增 量 式 數(shù) 字 控 制 電 液 伺 服 元 件 的 控 制 方 框 圖 。 微 機 發(fā) 出 控 制 脈 沖 序 列 經(jīng) 驅(qū) 動 電 源 放 大 驅(qū) 動 步 進 電 機 運 動 。 步 進 電 機 的 運 動 嚴 格 與 液 壓 力 放 大 器 的 運 動 成 比 , 即 微 機 的 控 制 脈 沖 嚴 格 控 制 電 液 步 進 液 壓 缸 的 運 動 : 電 液 步 進 液 壓 缸 的 位 移 與 控 制 脈 沖 的 總 數(shù) 成 正 比 ; 而 電 液 步 進 液 壓 缸 的 運 動 速 度 與 控 制 脈 沖 的 頻 率 成 正 比 。 因 此 , 電 液 步 進 液 壓 缸 的 控 制 就 在 于 步 進 電 機 的 控 制 。 步 進 電 機 可 以 采 用 微 計 算 機 或 可 編 程 控 制 器 ( PLC) 進 行 控 制 。 PLC 具 有 通 用 性 強 、 可 靠 性 高 、 指 令 系 統(tǒng) 簡 單 、 編 程 簡 便 易 學 、 易 于 掌 握 、 體 積 小 、 維 修 工 作 少 、 現(xiàn) 場 接 口 安 裝 方 便 等 一 系 列 優(yōu) 點 。 因 而 目 前 絕 大 部 分 采 用 液 壓 傳 動 的 系 統(tǒng) , 如 大 型 組 合 機 床 、 加 工 中 心 、 軋 鋼 機 的 壓 下 機 構(gòu) 和 軋 輥 磨 床 的 進 給 機 構(gòu) 等 均 采 用 PLC 控 制 技 術(shù) ; 而 電 液 步 進 液 壓 缸 的 PLC 控 制 只 占 用 PLC 的 3～ 5 個 I/ O 接 口 及 幾 十 Bit 的 內(nèi) 存 , 且 可 以 省 去 電 液 步 進 液 壓 缸 的 控 制 微 機 使 控 制 系 統(tǒng) 簡 潔 、 成 本 顯 著 下 降 , 可 靠 性 大 大 提 高 , 更 顯 示 出 其 卓 越 的 性 能 。 1 電 液 步 進 液 壓 缸 的 PLC 控 制 方 法 電 液 步 進 液 壓 缸 的 控 制 主 要 有 三 個 因 素 : (1) 活 塞 行 程 控 制 。 由 電 液 步 進 液 壓 缸 的 工 作 原 理 和 特 性 可 知 電 液 步 進 液 壓 缸 的 活 塞 位 移 正 比 于 所 輸 入 的 控 制 脈 沖 個 數(shù) ; 因 此 可 以 根 據(jù) 電 液 伺 服 機 構(gòu) 的 位 移 量 確 定 PLC 輸 出 的 脈 沖 個 數(shù) : n =Δ L /δ (1) 式 中 : Δ L — — — 電 液 伺 服 機 構(gòu) 的 位 移 量 ( mm) ; δ — — — 電 液 伺 服 機 構(gòu) 的 脈 沖 當 量 ( mm/ 脈 沖 ) 。 (2) 活 塞 速 度 控 制 。 電 液 步 進 液 壓 缸 的 活 塞 速 度 取 決 于 輸 入 的 脈 沖 頻 率 ; 因 此 可 以 根 據(jù) 電 液 伺 服 機 構(gòu) 的 速 度 , 確 定 其 PLC 輸 出 的 脈 沖 頻 率 : f = vf / 60δ ( Hz) (2) 式 中 : vf — — — 電 液 伺 服 機 構(gòu) 的 進 給 速 度 ( mm/ min) 。 (3) 活 塞 運 動 方 向 控 制 。 電 液 步 進 液 壓 缸 的 運 動 方 向 由 步 進 電 機 的 轉(zhuǎn) 向 進 行 控 制 。 步 進 電 機 的 轉(zhuǎn) 向 可 以 通 過 改 變 步 進 電 機 各 繞 組 的 通 電 順 序 來 改 變 其 轉(zhuǎn) ·421· 《 機 床 與 液 壓 》 20041No14 向 ; 如 三 相 步 進 電 機 通 電 順 序 為 A - AB - B - BC - C - CA - A … 時 步 進 電 機 正 轉(zhuǎn) ; 當 繞 組 按 A - AC - C - CB - B - BA - A … 順 序 通 電 時 步 進 電 機 反 轉(zhuǎn) 。 因 此 可 以 通 過 PLC 輸 出 的 方 向 控 制 信 號 改 變 硬 件 環(huán) 行 分 配 器 的 輸 出 順 序 來 實 現(xiàn) , 或 經(jīng) 編 程 改 變 輸 出 脈 沖 的 順 序 來 改 變 步 進 電 機 繞 組 的 通 電 順 序 實 現(xiàn) 。 2 電 液 步 進 液 壓 缸 的 伺 服 控 制 、 驅(qū) 動 及 接 口 211 電 液 步 進 液 壓 缸 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 電 液 步 進 液 壓 缸 的 控 制 系 統(tǒng) 由 可 編 程 控 制 器 、 環(huán) 行 脈 沖 分 配 器 和 步 進 電 機 功 率 驅(qū) 動 器 組 成 , 其 結(jié) 構(gòu) 見 圖 3。 控 制 系 統(tǒng) 中 PLC 用 來 產(chǎn) 生 控 制 脈 沖 ; 通 過 PLC 圖 3 編 程 輸 出 一 定 數(shù) 量 的 方 波 脈 沖 , 控 制 步 進 電 機 的 轉(zhuǎn) 角 進 而 控 制 電 液 步 進 液 壓 缸 的 運 動 ; 同 時 通 過 編 程 控 制 脈 沖 頻 率 , 既 電 液 步 進 液 壓 缸 活 塞 的 速 度 ; 環(huán) 行 脈 沖 分 配 器 將 可 編 程 控 制 器 輸 出 的 控 制 脈 沖 按 步 進 電 機 的 通 電 順 序 分 配 到 相 應 的 繞 組 。 PLC 控 制 的 步 進 電 機 可 以 采 用 軟 件 環(huán) 行 分 配 器 , 也 可 以 采 用 硬 件 環(huán) 行 分 配 器 。 采 用 軟 環(huán) 占 用 的 PLC 資 源 較 多 , 特 別 是 步 進 電 機 繞 組 相 數(shù) M > 4 時 , 對 于 大 型 生 產(chǎn) 線 應 該 予 以 充 分 考 慮 。 采 用 硬 件 環(huán) 行 分 配 器 , 雖 然 硬 件 結(jié) 構(gòu) 稍 微 復 雜 些 , 但 可 以 節(jié) 省 占 用 PLC 的 I/ O 口 點 數(shù) , 目 前 市 場 有 多 種 專 用 芯 片 可 以 選 用 。 步 進 電 機 功 率 驅(qū) 動 器 將 PLC 輸 出 的 控 制 脈 沖 放 大 到 幾 十 ～ 上 百 伏 特 、 幾 安 ～ 十 幾 安 的 驅(qū) 動 能 力 。 一 般 PLC 的 輸 出 接 口 具 有 一 定 的 驅(qū) 動 能 力 , 而 通 常 的 晶 體 管 直 流 輸 出 接 口 的 負 載 能 力 僅 為 十 幾 ～ 幾 十 伏 特 、 幾 十 ～ 幾 百 毫 安 。 但 對 于 功 率 步 進 電 機 則 要 求 幾 十 ～ 上 百 伏 特 、 幾 安 ～ 十 幾 安 的 驅(qū) 動 能 力 , 因 此 應 該 采 用 驅(qū) 動 器 對 輸 出 脈 沖 進 行 放 大 。 212 可 編 程 控 制 器 的 接 口 如 電 液 步 進 液 壓 缸 采 用 硬 件 環(huán) 行 分 配 器 , 則 占 用 PLC 的 I/ O 口 點 數(shù) 少 于 5 點 , 一 般 僅 為 3 點 。 其 中 I 口 占 用 一 點 , 作 為 啟 動 控 制 信 號 ; O 口 占 用 2 點 , 一 點 作 為 PLC 的 脈 沖 輸 出 接 口 , 接 至 伺 服 系 統(tǒng) 硬 環(huán) 的 時 鐘 脈 沖 輸 入 端 , 另 一 點 作 為 步 進 電 機 轉(zhuǎn) 向 控 制 信 號 , 接 至 硬 環(huán) 的 相 序 分 配 控 制 端 , 如 圖 4 所 示 ; 伺 服 系 統(tǒng) 采 用 軟 件 環(huán) 行 分 配 器 時 , 其 接 口 如 圖 5。 圖 4 圖 5 3 電 液 步 進 液 壓 缸 PLC 控 制 的 軟 件 邏 輯 由 電 液 步 進 液 壓 缸 的 PLC 控 制 方 法 可 知 , 應 使 步 進 電 機 的 輸 入 脈 沖 總 數(shù) 和 脈 沖 頻 率 受 到 相 應 的 控 制 。 因 此 在 控 制 軟 件 上 設(shè) 置 一 個 脈 沖 總 數(shù) 和 脈 沖 頻 率 可 控 的 脈 沖 信 號 發(fā) 生 器 ; 對 于 頻 率 較 低 的 控 制 脈 沖 可 以 利 用 PLC 中 的 定 時 器 構(gòu) 成 , 如 圖 6 所 示 。 脈 沖 頻 圖 6 率 可 以 通 過 定 時 器 的 定 時 常 數(shù) 控 制 脈 沖 周 期 , 脈 沖 總 數(shù) 控 制 則 可 以 設(shè) 置 一 脈 沖 計 數(shù) 器 C10。 當 脈 沖 數(shù) 達 到 設(shè) 定 值 時 , 計 數(shù) 器 C10 動 作 切 斷 脈 沖 發(fā) 生 器 回 路 , 使 其 停 止 工 作 。 電 液 步 進 液 壓 缸 的 步 進 電 機 無 脈 沖 輸 入 時 便 停 止 運 轉(zhuǎn) , 電 液 步 進 液 壓 缸 活 塞 定 位 。 電 液 步 進 液 壓 缸 速 度 要 求 較 高 時 , 可 以 用 PLC 中 的 高 速 脈 沖 發(fā) 生 器 。 不 同 的 PLC 其 高 速 脈 沖 的 頻 率 可 達 6000～ 10000Hz。 對 于 的 電 液 步 進 液 壓 缸 動 態(tài) 特 性 , 其 頻 率 可 以 得 到 充 分 滿 足 。 4 應 用 實 例 與 結(jié) 論 (1) 對 PLC 控 制 的 電 液 步 進 液 壓 缸 開 環(huán) 伺 服 機 構(gòu) 進 行 了 測 試 , 其 性 能 完 全 可 以 滿 足 系 統(tǒng) 的 技 術(shù) 要 求 。 控 制 軟 件 結(jié) 構(gòu) 合 理 , 接 口 可 靠 。 (2) 將 PLC 控 制 的 電 液 步 進 液 壓 缸 用 于 某 大 型 生 產(chǎn) 線 的 數(shù) 控 滑 臺 , 每 個 滑 臺 僅 占 用 4 個 I/ O 接 口 , 節(jié) 省 了 微 機 控 制 系 統(tǒng) , 進 給 速 度 為 vf = 011～ 212m/ min , 完 全 滿 足 工 藝 要 求 和 加 工 精 度 要 求 , 工 作 可 靠 。 參 考 文 獻 【 1】 機 電 一 體 化 技 術(shù) 手 冊 編 委 會 1 機 電 一 體 化 技 術(shù) 手 冊 1 北 京 : 機 械 工 業(yè) 出 版 社 , 1999131 【 2】 李 仁 定 1 電 機 的 微 機 控 制 . 北 京 : 機 械 工 業(yè) 出 版 社 , 19991101 【 3】 楊 長 能 等 1 可 編 程 序 控 制 器 基 礎(chǔ) 及 應 用 1 重 慶 : 重 慶 大 學 出 版 社 11992111 【 4】 康 晶 等 1 組 合 機 床 中 數(shù) 控 滑 臺 的 PLC 控 制 1 組 合 機 床 與 自 動 化 加 工 技 術(shù) , 2002 (8) 1 作 者 簡 介 : 康 晶 : 男 , 195715 出 生 于 沈 陽 , 教 授 , 工 學 碩 士 , 從 事 數(shù) 控 及 機 電 控 制 技 術(shù) 方 面 的 科 研 與 教 學 工 作 。 收 稿 時 間 : 2003 - 03 - 28 ·521·《 機 床 與 液 壓 》 20041No14