今世界上精密加工技术发展很快,新的加工方法和设备层出不穷,计算机的广泛应用使精密加工技术更为普及和多样. 实现精密和超精密切削加工有三种方法: (1) 采用和研制高精度加工设备;(2) 采用新的切削工具材料; (3) 利用加工与测量控制一体化技术. 前两种方法成本较高,而后一种方法成本较低,具有广阔的前景. 在后一种方法中,除了要保证刀具的精度、夹具的精度以及测量精度外,还有一项重要内容就是微进给机构的精度及其控制精度. 笔者在控制精密磨削的研究中,利用步进电机带动滚珠丝杠作为进给机构,在滚珠丝杠确定后,步进电机的控制精度成为了主要矛盾.
1 步进电机的控制
步进电机在不失步的正常运行时,其转角严格地与控制脉冲的个数成正比,转速与控制脉冲的频率成正比. 可以方便地实现正反转控制及调整和定位. 由于步进电机和负载的惯性,它们不能正确地跟踪指令脉冲的启动和停止运动,指令脉冲使步进电机可能发生丢步或失步甚至无法运行. 因此,必须实现步进电机的自动升降速功能. 为了实现速度的变化,输入的位移脉冲指令相应地要升频、稳频、和降频这些脉冲序列,可以由脉冲源加专用逻辑电路来产生,也可以由微型计算机产生. 对于脉冲源加逻辑电路构成的控制器来说,控制逻辑是固定的,即控制电路一经固定,其控制逻辑也就固定了.
如果要改变控制逻辑和控制方案,必须改变电路结构和元件参数,而使用计算机控制,不必改动硬件电路,只要修改程序,就可以改变控制方案. 且可以从多种控制方案中,选取一种最佳方案进行控制和调节. 也可以用同一套系统对不同控制方案的多台步进电机同时控制. 利用计算机控制的形式也很多,本文介绍plc位控单元对步进电机的控制.
2 plc 系统组成及位控单元的工作原理
本研究所利用的plc 系统的组成包括如下七大模块:电源,cpu ,位控单元, i/ o 单元,a/ d ,d/ a 单元,如图1 所示. 其中位控单元的主功能是当步进电机(或伺服电机) 与电机驱动器联结时,输出脉冲序列控制电机的转速与转角. 进给机构可以是2 轴型,也可以是4 轴型. 本文采用的是前者,即滚珠丝杠的横向进给与纵向进给,如图2
所示. 具体地说,位控单元实现速度以及位置的控制方法有多种,如e 点控制(单速度控制) ,如图3(a) 所示;p 点控制(多级速度控制) ; 线性加/ 减速和s型加/ 减速,( a ) , ( b)为线性加/ 减速,s型如. 除此之外还有绝对位置控制和相对位置控制等. 表1 给出了e点控制不同模式的控制码(p 点与其相同) .
3 磨削加工plc 控制原理
如图4 所示, plc 可以控制变频器、传感器、步进电机. 总控制程序流程图如图5 所示. 其中两个步进电机是利用plc 的位控单元控制的. 在进行精密磨削过程中,横向进给将是十分重要的,plc 的位控单元能较精确地控制步进电机的转角,从而使滚珠丝杠获得精确定位. 由于plc 位控单元的控制方法有多种,对于磨削加工来讲,横向进给量不能大于215μm ,通过实验的方法可以找出最佳方案. 这里只通过一种控制方法来说明位控单元的具体应用. 首先,设置原点,利用光栅尺粗对刀,测量出对刀位置距原点的距离. 为防滚珠丝杠出现爬行现象,工作台从原点出发,经过一段距离以后开始自动加/ 减速. 此时,只要给定起始速度,目标速度,加速/ 减速时间以及位置要求值,并设 定控制码即可实现上述功能,相关程序如图6 所示. 如果假设滚珠丝杠的螺距为d ,步进电机的步距角为α°;进给速度为v (mm/ s) ;行程为s (mm) ;则要求的脉冲频率(即程度中的目标速度) 为f = 360 v/αd (hz) ;总脉冲数(即程序中的位置要求值) 为f =360s/da(个)
4 结束语
plc 位控单元具有运行速度快、灵敏度高、精度高、编程简单等众多优点. 因此,它对于在精密加工领域的研究开发与应用具有深远的现实意义.
