基于PLC的滾珠絲桿運動控制系統

尚磊 張可菊* 沈陽工學院信息與控制學院

1 引言

滾珠絲桿是將角位移轉化為線位移，或將線位移轉化為角位移的理想產品，可以使傳動和定位在同一零件上得到實現。另外，滾珠絲杠不但能作定位，傳動零件，還可以起到定位的作用。由于使用滾珠作為其傳遞運動的媒介，使得滑動運動變為滾動運動，從而大大減少了摩擦作用，提高了傳動的效率。滾珠絲杠有效率高、精度高、微給進、使用壽命長等特點，因此，它成為了工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件。

2 系統工作原理

運動控制通常是指在復雜條件下，將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動。一般表現為直接對電動機的控制，使其完成位置、速度及加速度等實時控制過程，使運動部件按照預期的軌跡和規定的運動參數完成相應的動作。運動控制系統是以機械運動的驅動設備——電動機作為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論指導下組成的電氣傳動控制系統。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，對被控機械實現精確的位置、速度、加速度、轉矩或力控制，以及這些被控量的綜合控制。

基于PMAC2型運動控制器的滾珠絲桿運動運動系統是由三相電源、變壓器、接觸器等電子設備和上位計算機、PMAC2運動控制卡型控制器、驅動器、電機、滾珠絲桿、編碼器、接近開關以及光柵尺等機械器件組成的。三相電源380V經過變壓器變壓分別給電動機、驅動器和控制電路供電，接近開關對工作臺的行程位置進行限位控制；上位計算機進行系統管理、任務協調和人機交互，運動控制器的主要任務是根據作業的要求和傳感器件的信號進行必要的邏輯／數學運算，將分析、計算所得出的運動命令以數字脈沖信號或模擬量的形式送到驅動器中，為電機驅動裝置提供正確的控制信號。驅動器進行功率變換，并驅動電動機按照控制指令轉動，并且帶動滾珠絲桿以一定的精確度運動；編碼器和光柵尺主要對滾珠絲桿的速度、位置信息進行反饋，讓控制器或者驅動器對反饋的信息進行比較并發出糾正命令，保證滾珠絲桿的精確度，進而保證工件的精確度。

基于PMAC2型運動控制器的滾珠絲桿運動運動系統是全閉環控制系統，采用編碼器對滾珠絲桿的運行速度進行反饋，從而驅動器可以隨時更正命令參數使運動達到指定的精度；采用光柵尺等檢測元件直接對滾珠絲桿進行位置檢測，從而可以消除從電動機到被控單元之間整個機械傳動鏈中的傳動誤差得帶很高的靜態定位精度。但其缺點是穩定性不高，系統設計和調整也相當復雜。

3 系統電氣圖

電氣控制系統為整個控制系統提供電源，并對電源進行合理分配，以保證控制系統安全可靠地工作，同時它也是控制系統的執行部分。機床電氣控制部分主要實現系統總電源控制、急停、系統冷卻控制、系統潤滑控制、變壓控制、電主軸變頻器開關控制、伺服電動機上點控制、系統冷卻風扇控制、狀態顯示燈控制、控制方式選擇等功能。主要采用按鈕開關、斷路器（或空氣開關）、電磁繼電器、接觸器等機床電氣元件實現各種控制功能。電氣控制部分為系統的各部分提供不同的電源，包括24V直流穩壓電源用于PLC部分、三相交流220V電壓用于伺服系統、三相交流380V用于電主軸變頻器和冷卻潤滑系統等。系統電氣圖如下圖所示。

QF10為控制電路提供短路和過電流保護。開機時按下開機按鈕SB2，接觸器KM1線圈通電，主觸點閉合，主電路電源接通。當開機按鈕彈起時接觸器KM1線圈由自身的輔助觸點保持電路的接通，系統交由軟件控制。關機時按下關機按鈕SB1，主電路斷電。軟件控制系統啟動時，將中間斷電器KA11線圈使能，其常開觸點閉合，使關機按鈕失效，防止由于誤操作關機按鈕造成系統突然斷電故障。當控制系統可以接受關機操作時，軟件控制系統使中間斷電器KA11線圈禁能，其常開觸點斷開；使關機按鈕有效。當系統發成異常時，可按下急停按鈕使主電路斷電。在主控制電路中串聯了兩個急停按鈕SE1和SE2，將它們分別裝在電控制柜操作面板上和機床上，以方便操作。

現代數控機床中，滾珠絲桿起了及其重要的作用。它作為數控機床運動系統中的傳動，定位部件，其精度的高低往往直接決定著數控機床的加工精度。由于制造工藝和制造手段的限制，滾珠絲杠制造精度的提高已經變得十分困難，所以，高精度的滾珠絲杠檢測手段就成為了補償數控機床加工誤差，提高機床加工精度的重要方式。另外，出于滿足滾珠絲杠制造商對其出廠產品檢驗的需要，設計一種高性能的絲桿檢驗設備也是十分必要的。