滾珠絲杠滑塊運動控制研究

楊鋒 李維斌 張文澤 任亞莉

[摘? ? 要]基于以太網技術，采用羅克韋爾控制器和變頻器，CCW軟件編程，控制滾珠絲杠滑塊相對運動。通過更改比例系數(shù)、距離差值的區(qū)間和區(qū)間運行速度，絲杠滑塊以最快速度達到指定位置，誤差可在0.3 mm以內，實現(xiàn)絲杠滑塊快速精準停止。

[關鍵詞]滾珠絲杠;比例控制;相對運動;精準停止

[中圖分類號]TH87 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）04–00–03

Research on Motion Control of Ball Screw Slider

Yang Feng，Li Wei-bin，Zhang Wen-ze，Ren Ya-li

[Abstract]Based on Ethernet technology， Rockwell controller and frequency converter， CCW software programming are used to control the relative movement of the ball screw slider. By changing the scale factor， the interval of distance difference and the interval running speed， the lead screw slider can reach the specified position at the fastest speed， and the error can be within 0.3mm， so that the lead screw slider can stop quickly and accurately.

[Keywords]ball screw; proportional control; relative motion; precise stop

滾珠絲杠是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，兼具高精度、可逆性和高效率的特點。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。利用交流電機驅動絲杠，并配備編碼器來反饋當前轉動情況，組成閉環(huán)達到精準控制[1-2]。

采用羅克韋爾Micro850控制器和PowerFlex525交流變頻器[3-4]，通過以太網控制滾珠絲杠滑塊相對運動，利用編碼器反饋確定當前絲杠滑塊的位置、絲杠電動機的轉速。采用比例控制方式，滑塊上指針指于刻度尺上某個位置為起始位置，目標位置任意（范圍在0～400 mm）時，滑塊從起始位置開始運動，可以快速精準地停止到指定位置，停止變頻器運行，誤差可在0.3 mm以內。

1 羅克韋爾設備簡介

滾珠絲杠被控對象如圖1所示。其結構主體是由工業(yè)級鋁型材和航空級鋁合金板材加工，并電鍍表面氧化后組成，配有滾珠絲杠，在設備一側的平臺上安裝有鋁制格尺，量程為0～500 mm。在設備兩側配有兩個限位開關，在滑塊中心位置配置指針和擋針，可實現(xiàn)指定特殊位置。在設備側面安裝有3個U槽T形光電傳感器，位置可任意調動。220 V交流電機通過聯(lián)軸器連接帶動旋轉，由增量式光電旋轉編碼器提供反饋信號，通過控制器形成閉環(huán)回路。

實驗采用48點型號為2080-LC50-48QWB的控制器，能支持6個HSC，高速輸入/輸出點分布為Ⅰ-00 ～Ⅰ-11，其中每兩個口為一組。

PowerFlex525交流變頻器非常適合EtherNet/IP通信需求。用以太網控制變頻器時，利用CCW軟件編程時，梯形圖中需要分別添加一個變頻器模塊RA_PFx_ENET_STS_CMD和一個高速計數(shù)器模塊HSC_1，如圖2所示。

變頻器模塊里需要配置的變量有：IP地址PFx_IP、停止Stop、啟動Start、速度Speed、加速時間AccTime、減速時間DecTime、正轉Fwd、反轉Rev。AccTime與DecTime一般填寫0.1，Speed可在程序里進行填寫和更改。

高速計數(shù)器用于檢測窄脈沖（快脈沖）。HSC_a→HscCmd，功能塊執(zhí)行、刷新等控制命令;HSC_b→HscAppData，HSC應用配置;HSC_c→HscStsInfo，HSC動態(tài)狀態(tài);HSC_d→PlsData，可編程限位開關數(shù)據(jù)用于設置HSC的附加高低及溢出設定值。

2 滑塊運動控制

2.1 滑塊行程計算方式

被控對象絲桿型號為1204，“12”代表絲杠的直徑，“04”為絲杠的螺距，即絲杠轉1圈，滑塊的行程為4 mm。理想狀態(tài)下編碼器的每轉一圈的脈沖數(shù)為360，故可推算理想狀態(tài)下，每毫米編碼器的脈沖數(shù)為360/4=90（脈沖/mm）。實際情況會有誤差，需要測量，但在90脈沖/mm上下浮動。

具體操作：添加好HSC高速計數(shù)器模塊并配置變量，將滑塊上的指針手動調節(jié)到一個整數(shù)位置，程序下載到Micro850中，手動轉動絲杠，讓滑塊走10 mm，程序中讀取HSC_b.Accumulator數(shù)據(jù)除以10，就得到每毫米編碼器的脈沖數(shù)a（脈沖/mm）。通過編碼器產生的脈沖數(shù)計算成滑塊運行的實際距離S1公式為：S1=HSC_b.Accumulator/a（mm）。

2.2 比例P調節(jié)速度

比例系數(shù)P的計算：P=Vmax/Smax，其中Vmax為變頻器速度最大值，Smax為滑塊最大行程。P的值可以調整，大小影響絲杠滑塊停止時的精度。

設滑塊起始位置S0，目標位置S3，滑塊向右運行，則相對行程S2=S3-S0。滑塊從S0向S3運動時，實際距離S1從0增加到S2，差值dS=S2-S1=0時滑塊應停止。96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C

通過比例系數(shù)P計算電動機實時變化速度公式為V=dS·P。滑塊從起始位置向目標位置運動時，dS會越來越小，所以電動機瞬時速度V也越來越小，是減速運行。

例如：當滑塊從100 mm滑動到400 mm時，S0=100 mm，S3=400 mm，S2=300 mm，S1從0增加到300 mm，dS的數(shù)值范圍為0～300 mm。若P=0.15，電動機的瞬時速度V從45 Hz開始啟動直到減小為0。可以看出，滑塊相對行程越大，電動機啟動速度就越大，啟動速度是由比例系數(shù)P計算得到的。

2.3 滑塊相對運動

根據(jù)以上分析，首先根據(jù)滑塊上的指針確定好起始位置和目標位置，計算出相對行程S2及差值dS，確定比例系數(shù)P大小，將S2和P的值填寫在變量選擇器的“初始值”里，并設置好Micro850和變頻器IP地址及其他相關變量[5]。

利用CCW軟件編程，如圖3所示，先將編碼器脈沖數(shù)的變量HSC_b.Accumulator由DINT型轉換成REAL型變量A，變量A是計算的實際每毫米編碼器的脈沖數(shù)，button1為啟動按鈕。

將通過比例系數(shù)P計算出來的速度給變頻器，讓變頻器帶動電機反向運行，滑塊向右，如圖4所示，button2為運行按鈕，此時在19≤dS≤S2區(qū)間減速運行。

當絲杠滑塊運動到一定的距離區(qū)間時，速度會變小，導致以瞬時速度無法克服摩擦等因素引起的阻力而引起的卡頓現(xiàn)象，這時需要給一定速度，運行過此區(qū)間。設此區(qū)間為9≤dS≤19，速度為10 Hz，如圖5所示。

當距離差值“dS”值越來越小時，還會在一定區(qū)間會造成有速度不運行的現(xiàn)象，在此區(qū)間需要給變頻器一個最低運行速度，讓絲杠滑塊繼續(xù)運行。設此區(qū)間為0.9≤dS≤9，速度為5 Hz，如圖6所示，需要注意5 Hz不是通用速度，每臺設備的最低速度根據(jù)實際情況選擇。

當滑塊距離目標位置越來越近時，可以在一定的區(qū)間范圍停止變頻器工作，變頻器會有減速過程，絲杠滑塊會相對運動一定的位置，來達到精確停止。設此區(qū)間為0≤dS≤0.9，如圖7所示。

根據(jù)以上程序可以看出，絲杠滑塊運動分為4個區(qū)間進行：第一區(qū)間為19≤dS≤S2，速度為通過比例系數(shù)P計算出來的速度，并不斷減速運行;當Step=1時為第二區(qū)間，9≤dS≤19，速度為10 Hz并保持不變;當Step=2時為第三區(qū)間，0.9≤dS≤9，速度為5 Hz并保持不變;當Step=3時為第四區(qū)間，0≤dS≤0.9，速度為0，滑塊依靠慣性運行過此區(qū)間。

3 結束語

滾珠絲杠滑塊運動控制是通過更改比例系數(shù)P、距離差值dS的區(qū)間和區(qū)間運行速度，就可以達到絲杠滑塊精準停止的目標。滾珠絲杠運動控制系統(tǒng)設計過程比較難，因不同設備具有差異性，滑塊運動摩擦力不等，所以對每臺設備來說，比例系數(shù)、距離差值區(qū)間和區(qū)間運行速度的選取都不相同，需要根據(jù)實際情況多次實驗，選取適合本臺設備的相關參數(shù)實現(xiàn)滑塊快速精準停止。

參考文獻

[1] 鄧鈺耀， 鐘世蓮， 廖健竹. 加工中心滾珠絲杠的應用 [J]. 機電元件， 2021， 41（3）： 58-60.

[2] 薛寶珠， 李夢陽， 郭英杰. 超精密大行程滾珠絲杠進給系統(tǒng)設計與實驗研究 [J]. 機床與液壓， 2021， 49（20）： 23-27.

[3] 錢曉龍， 李曉理. Micro800 控制系統(tǒng) [M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2013：395.

[4] 孫剛， 張濤. AB變頻器及其控制技術 [M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2012：5.

[5] 趙偉. PLC控制系統(tǒng)設計安裝與調試 [M]. 北京： 中國水利水電出版社， 2014：173.

基金項目：隴東學院2022年校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（20221213）96C475A7-7C7C-475D-9A71-FBAF1628FE9C