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基于可编程控制器的回转工作台控制系统设计 口陈建刚 陕西理工学院 机械工程学 院汉 中7 2 3 0 0 3 摘要基于三菱 F X系列可编程控制器， 设计了一套回转工作台控制系统， 其作用是扩大了机床的加工范围。 关键词 回转工作台可编程控制器控 制系统 中图分类号 T P 2 0 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 0 8 0 1 0 0 3 60 3 随 着 市 场 对 机 械 加 工 质 量 要 求 的不 断 提 高 ， 许 多 普 通 回转工 作 台的控 制 系统 已难 以满足 加工 要 求 。 本 文 基 于 三 菱 F X 系 列 可 编 程 控 制 器 ， 从 硬 件 和 软 件 两 方 面 着 手 ， 完 成 回 转 工 作 台 的 控 制 系 统 设 计 ， 以 适 应 现 代生产 的要求 。 1 控制 系统设计 控 制 系 统 的 框 图 如 图 1 所 示 ， 它 采 用 步 进 电 机 驱 动 回转 工作 台 ， P L C可 编程 控 制器 控 制输 入 到 步进 电机 线 圈 组 中 的 脉 冲 数 或 脉 冲 频 率 ， 实 现 对 步 进 电 机 的 角 位 移 和速度控 制 ， 从 而实 现 回转-U S 作 台 的转 速控 制 、 正 反 转 控 制 及 步 数 控 制 等 。 卜 叫 坌墼H 皇 望 垫H 皇 垫卜 叫望 堑 堡鱼 ▲图1 控制系统方案框图 1 ． 1 回转 工 作 台 的 机 械 传 动 结 构 简介 回转工 作 台的机 械传动 结构 常见 有4 种 平面 圆柱 齿轮包 络蜗 杆传 动 、 单 头双 导程蜗 杆传 动 、 双 蜗杆 双蜗 轮结构 传动 、 双蜗 杆单 蜗轮 结构传 动 。 笔 者采 用最后 一 种机械 传动 方案进 行控 制系统 设计 。 优点 可 以消 除蜗 轮蜗杆 的反 向间 隙 ， 调 整方便 ， 装配 制造 简单 ， 成本低 ， 承 载 能 力 大 ； 缺 点 传 动 结 构 比较 复 杂 。 回转工作 台的 机 械传动 系统 见 图2。 当 使 用 步 进 电 机 驱 动 时 ， 设 电 机 轴 每 转 动 5 0转 即 蜗 杆 轴 转 动 5 0转 时 蜗 轮轴转 动 1 转 。 收稿 日期 2 0 0 7 8 月 2 00 8／1 1 ． 2回 转 工作 台 的 P L C控 制 系统 硬 件 设 计 回转 工作 台工作 时 它所转 过 的角位移 正 比于步 进 电机 的 总 转 角 ， 因此 只 要 控 制 步 进 电 机 的 总 转 角 即 可 。 由步进 电机 的 - 1 - 作 原 理 和特 性 可知 ， 步进 电机 的总转 角正 比于 所输 入 的脉 冲个 数 ， 因此 可 以根 据 回转 -U S 作 台分 度 的角 度确定 P L C输 出的脉 冲个数 ， 即 0 △0 ／i 式 中 脉 冲 个 数 i 回转工作 台的传动 比 △0 步 距 角 0 回转 工作 台 的转角 1 ． 2 ． 1步 进 电 机 的 选 型 假 设 在 回转_U S 作 台的传 动 系统 中 已知 条件 为 蜗 轮蜗 杆 的模 数 m 5 mm， 蜗杆 的 分 度 圆 d 5 0 mm， 蜗 轮 的分 度 圆 d 2 5 0／ ri m， 蜗杆 的 长 度 z 3 0 0 mm， 工 作 台面 3 2 0 mm， 系统 的传 动 比 i 5 0， 蜗 轮 的宽 度64 0 mm， 材 料 的 密 度 P7 ． 81 0 k g ／m 。 经 计 算 ， 最 大 静 转 矩 为 5 ． 4 Nm， 故 选 步 距 角 为 0 ． 6 。 ， 型 号 9 0 B YG3 5 0 C 的 步 进 电 机 。 1 ． 2 ． 2驱 动 器 的 选 择 选 用 S T 3 B F 0 4相 反 应 式 步 进 电机 驱 动 器 ， 此 驱 动器 采 用交 流 伺服 驱 动器 的 电流环 进 行 细分 控 制 ， 电 机 的 转 矩 波 动 很 小 ， 低 速 运 行 平 稳 ， 几 乎 没 有 振 动 和 噪 声 ， 定 位精度 高 。 1 ． 2 ． 3可 编 程 控 制 器 的 选 择 在 选 择 可 编 程 控 制 器 时 一 般 从 以 下 几 个 方 面 来 考 虑 。 1 功 能合 理 。 选 型基 本 原 则 是满 足 控 制 系统 的功 能需要 ， 对 于小型单 机仅 需要 开关 量控 制 的设 备 ， 一般 的小 型 P L C都 可 以满足 控 制要 求 。 回转工 作 台要 着重 注意 特殊 功能 的需 要 ， 要选 择 具有 所 需 功能 的 P L C主 机 和 根 据 需要 选 择 相 应 的模 块 ， 如 开 关 量 的 输 入 ／ 输 出模 块 、 模 拟 量 的输 入 ／ 输 出模 块 、 定位 控 制 模 块 、 高 速 计 数 模 块 和 人 机 界 面 模 块 等 。 2 输 入 ／ 输 出 点 数 。 准 确 地 统 计 出 回转 工 作 台对 机械制造4 6 卷 第5 2 1 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m -N 人 ／输 出 点 数 的 总 需 求 量 ， 把 各 输 入 设 备 和 被 控 设 备 详 细 列 出 ， 然 后 在 统 计 出 输 入 ／输 出 点 数 的 基 础 上 加 上 2 0 ％ ～3 0 ％ 的 备 用 量 ， 以便 今 后 系 统 调 整 和 扩 展 。 3 输 入 ／输 出 信 号 性 质 。 除 确 定 输 入 ／ 输 出 点 数 外 ， 还 要注 意输 入 ／ 输 出信 号 的参 数 等 。 例如 ， 输 入信 号 电压 的类 型 、 等 级 和变化 率 ， 信 号 源是 电压输 出型还 是 电流 输 出 型 ， 还 要 注 意 输 出端 的 负 载 特 点 ， 选 择 相 应 的 机 型 和 模 块 。 4 响 应 时 间 要 求 。 对 于 大 多 数 应 用 场 合 来 说 ， P L C 的 响 应 时 问 不 是 主 要 问 题 。 响 应 时 间 包 括 输 入 滤 波 时 间 、 输 出 滤 波 时 间 和 扫 描 周 期 。 回转 工 作 台控 制 系统 需 要 选 取 扫 描 速 度 高 的 P L C。 5 程 序 存 储器 容 量 。 P L C的程 序存 储 器 容 量通 常 以 字 或 步 为 单 位 。 系 统 设 计 时 可 以 预 先 估 计 用 户 程 序 存 储 器 的容 量 。 对 于 开 关 量 控 制 系 统 ， 用 户 程 序 存 储 器 的字 数 等 于 I ／ O 信 号 总 数 乘 以 8； 对 于 有 模 拟 量 输 人 ／ 输 出的系统 ， 每一 路模 拟量 信号 大 约需 1 O 0 字 的存 储 器 容 量 。 此 外 ， 还 应 根 据 用 户 程 序 的 使 用 特 点 来 选 择 存 储 器 的 类 型 。 当 程 序 要 频 繁 修 改 时 ， 应 选 用 cMo s R AM； 当 程 序 长 期 不 变 和 长 期 保 存 时 ， 应 选 用 EE P R OM 或 EP ROM。 根据 以上几 方面 ， 回转 工作 台的控制 系统 选用三菱 F X2 N一4 8 MT型 号 可 编 程 控 制 器 作 为 主 控 单 元 。 1 ． 2 ． 4 BC D拨 码 盘 的 使 用 由 于 BC D拨 码 盘 使 用 方 便 、 直 观 、 实 用 、 易 于 操 作 等诸 多优点 ， 被广 泛应 用 于参 数设 置 的监测 仪表 、 机 床 等设 备 上 ， 本 系统 通 过拨 码 开 关 输入 相 应 的 回转 工作 台 的 转 角 值 或 位 移 值 ， 然 后 转 化 为 二 进 制 数 输 入 到 P L C 的 输 入 端 口 x1 0～X1 3， X1 4～X1 7， X2 0～X2 3， 女 口 图3 左 上 角 所 示 。 1 ． 2 ． 5显 示 的 实 现 首 先 通 过 B CD拨 码 盘 输 入 应 旋 转 的 角 度 或 位 移 量 ， 当 电机 停 转 时 通 过 光 栅 检 测 出 实 际 的 旋 转 量 或 位 移 量 ， 然 后 通 过 带 锁 存 的 七 段 码 显 示 如 图 3 右 上 角 所 示 。 1 ． 2 ． 6 P L C 控 制 系 统 接 线 图 的 设 计 如 图 3 所 示 设 计 思 路 步 进 电 机 是 一 种 将 脉 冲 信 号 转 换 成 直 线 位 移 或 角 位 移 的 执 行 元 件 。 步 进 电 机 的 输 出 位 移 量 与 输 入 脉 冲 个 数 成 正 比 ，其 速 度 与 单 位 时 间 内输 入 的 脉 冲 数 即 脉 冲 频 率 成 正 比 ，其 转 向 与 脉 冲 分 配 到 步 进 电机 的各 相绕 组 的相 序 有 关 。 所 以只 要用 可 编程 控 制 器 控制 步进 电机输 出 的指 令 脉 冲 的数 量 、 频率 及 绕 组 通 电 的 相 序 ， 便 可 控 制 回转 工 作 台 的 位 移 量 、 速 度 和 方 向 ， 且 可 获 得 较 高 的控 制 精 度 ， 从 而 完 成 回转 工 作 台 的控 制 功 能 。 1 ． 3 回 转 工 作 台的 P L C控 制 系统 软 件 设 计 软件设 计是 指 根据 硬 件 系统 结 构 和工 艺要 求 ， 使 用 相 应 编程 语 言 梯形 图设 计 ， 对 实 际控 制进 行 程序 B CD 码 拨 码 盘 减速 加速 暂停 急停 反转 正转 启动 百位 十位 编程器 F X． 2 0 F 扩展 接 口 带储存 七段码 显示 器显示 电路 口 二 ] [口 [ 二 ] 口 ] E N步 C w进 CP C 0M 电 机 驱 T e s t动 V 。 。 器 GND _{ H ． _ { ．主 I ● AM7 1 l RS TI M1 1 M 1 O 3 M l o 4 一 M 1 0 5 I r_ _1 4 o 3 I X4 0 6 M20 1 1 “ 4 5 1 一 ～ K1 O i x 4 o ,I i x 4 o I I M 1 2 2 0__ - 4 1 时 钟 。 。。 正反 转驱 动器 编 制 和 调 试 过 程 ， 本 控制 系统 需 要 完 成 的 2 1 2 作 叙 述 如 下 。 1 通 过 控 制 脉 冲 的 发 生 个 数 来 控 制 步 进 电 动 机 的 的 运 转 角 度 ， 实 现 对 回 转 2 1 2 作 台 的 运 转 角 分析 回转 台控 制要求 确定 I ／ 0点数及 P I ／ 2类型 选购I ／ 0器件 I I 程序设计 现场安装l l 调试程序 I I 修改程序 望 塑 堕 墨 墨 堡r 一 ≤ J 保存程序 I ▲图3 P L C控制 系统实 际接线图 ▲图4 部分控制梯形图 ▲图5 P L C控 制系统调试 流程 机 械 制 造 4 6 卷第 5 2 1 期 2 0 0 8 ／ 1 回 拍 序 冲 三丑 J ， 白 已 三相六拍环形分配器 一，n H 矧1、 f | 躬11 f_ 、 I 一 一 Ⅲ Ⅲ w H Ⅵ Ⅷ 加 “ H B m 7 5 5 4， Ⅲ ∞ 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 制导光纤精 密缠绕机机体设 计研 究 口张玉 口晋小莉 口马保吉 西安工业大学 机 电工程学院西 安7 1 0 0 3 2 摘要 通过对光纤缠绕所存在的缺点进行分析， 说明研究光纤精密缠绕的重要性， 并指出缠绕机的机体设计是影 响光纤绕制质量的重要 因素 ， 还 对机体设计 的各种 方案进行 分析 ， 作 出合理的选择。 最后 利用运动特性分析 ， 验证方案 的 合 理性 。 关键词 光纤缠绕机体设计运动特性 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 9 9 8 2 0 0 8 0 1 0 0 3 80 3 光纤 制导 是利 用光导 纤维 双 向传输 测量信 息和控 制信 号来 完成 对 受控 导 弹 的制 导 控制 。 光 纤 制导 属 于 遥控 制导 系统 ， 导 弹导 引头 将 所测 得 的信 息 通过 光纤 下行 传 输 到控 制 站 ， 控 制站 对信 号 进行 处 理并 发 出新 的控制指 令 ， 通过 光纤 上行 传输 到导 弹的执行 系统 ， 从 而 完 成 对 导 弹 飞 行 方 向 的 控 制 。 光 纤 制 导 中 ， 一 个 核 心 问题 是 缠 绕 ， 光 纤 缠 绕 机 对 缠绕 光纤 质 量影 响大 ， 直 接关 系 制导 武器 的打击 距 离 和精度 。 当前 国内在光 纤缠 绕 中存 在许 多 问题 ， 主要 表 现在 以下两 方面 ①光纤 的匝 间间隙过 大 ， 如 图 1 所 示 ； ②光纤 匝 的 回叠 ， 如 图2 所示 。 总 之 ， 研究 光纤 精密 缠绕 技术 的现实 意义重 大 。 其 中 ， 光纤 缠绕机 的机 体设 计是该 技 术 的重 要组成 部分 ， 它 直 接 影 响 光 纤 的绕 制 质 量 ， 具 有 一 定 的 研 究 价 值 。 收稿 13 期 2 0 0 7 年9 月 度 控 制 ； 2 控 制 脉 冲的 频率 来 控 制步 进 电机 的速度 ， 实 现 对 回转 工 作 台 的 速 度 控 制 ； 3 通过 方 向控制信 号来 实现 对步进 电机 正反转 的 控制 ， 进 而实现 对 回转工 作 台的正反 转控制 ； 4 回 转 工 作 台 的 进 给 速 度 取 决 于 步 进 电 机 的 转 速 ， 而 步进 电机 的转 速取 决 于输入 的脉 冲频率 ， 因此 可 以根据 该工 序 要求 的进给 速 度 ， 确 定 其 P L C输 出的脉 冲 频 率 。 根 据 以上 分 析 ， 设 计 了控 制 系 统 所 需 的 梯 形 图 如 图4 所 示 及 程序 的调试 流程 如 图5 所示 。 2结论 本 控 制 系 统 选 用 可 编 程 控 制 器 作 为 回转 工 作 台 的 主控 单元 。 其特 点 是 简单 易懂 ， 操 作 方便 ，可 靠性 高 。 它 能 够 完 成 较 精 确 的 位 置 控 制 ， 同 时 增 强 了 回 转 工 作 2 0 0 8／ I 1 机体设计方案的比较 1 ． 1 光 纤 缠 绕 的 要 求 系 统 设 计 中遵 循 的 原 则 是 以 优 化 的 工 艺 为 主 线 ， 以控 制理论 为指 导 ， 以计算 机应 用为 手段 ， 以系统 整体 最佳 为 目标 。 机体 设计 的步骤如下 ①整体 的性能 了解 ； ②提 出设 计方案 ； ③通过 对系统 的运动特 性和运 动动作 等方面研究来 验证方案 的准确性 ； ④确 定设 计 方案 。 台 控 制 系 统 的灵 活 性 ， 只 要 改 变 P L C 的 控 制 程 序 便 可 改 变 回转 工 作 台 的运 行 方 式 ， 使 之 更 能 适 应 现 代 化 小 批 量 、 多 品 种 的 生 产 方 式 。 参 考文 献 1 北京艾博瑞林电子公司．步进电机驱动使用说明书[ z 】 ． 北 京 北京艾博瑞林电子公司， 2 0 0 5 ． 2 高健， 谢红． 夹具式数控回转工作台的设计 [ J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 1 ， 6 ． 3 徐灏． 机械设计手册 【 M】 ． 北京 机械工业 出版社，1 9 9 1 ． 4 实用数控机床技术手册编委会． 实用数控机床手册[ M】 ． 北 京 北京 出版社， 1 9 9 3 ． 5 机床设计手册编写组． 机床设计手册 第二册 [ M】 ． 北京 机 械工业 出版社， 1 9 8 0 ． 编 辑 禾 禾 机械制造4 6 卷 第5 2 1 期 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m