组合机床 自动线中数控滑的 PLC控制
康 晶 孟 广耀 邵 强 吴树 财
1．大连 民族 学院 机 电系 ，辽 宁 大连 1 16600；2．青 岛建 筑工程 学院 ，山东 青 岛 266033
摘 要 ：组 合机床 自动线 中的数控 滑 台采 用可编程控制 器直接 控制 ，使 组合机 床 自动 生产线控制 系统的成
本显 著下 降。文章介 绍 了用 PLC控 制 步进 电机 驱动 的数控 滑 台方法 ，伺服 控 制、驱 动及接 口以及 步进
电机 PLC控 制 的 软 件 逻 辑 。
关键 词 ：可编程控制 器 ；数控 滑台 ；步进 电机 ；伺服机构 ；控制
中图分类号 ：TG65：TP273 文献标 识码 ：B 文章编 号 ：1001—2265(2002)08—0074—02
l 概 述
在组合机床 自动线 中 ，一 般 根据 不 同 的加工 精 度
要求设 置三种滑 台 (1)液压 滑 台 ，用 于 切 削量 大 ，加 工
精度要求 较低 的粗 加 工工 序 中 ；(2)机 械滑 台 ，用 于切
削量 中等 ，具 有一定加 工精度 要求 的半精 加工工序 中 ；
(3)数控滑 台 ，用 于切 削 量小 ，加 工 精 度要 求很 高 的精
加工工序 中。可 编 程 控制 器 (简称 PLC)以其通 用性
强 、可靠 性 高 、指 令 系 统 简 单 、编 程 简 便 易 学 、易 于掌
握 、体积 小 、维 修工 作 少 、现 场接 口安装 方便 等 一 系列
优点 ，被广泛应 用 于工 业 自动 控 制 中。特别 是 在组 合
机床 自动 生产 线 的 控 制 及 CNC机 床 的 s、T、M 功 能
控制更显 示 出其 卓越 的性 能。 PLC控 制 的步 进 电机
开环伺服机 构应用于 组合机床 自动生 产线 上 的数 控滑
台控制 ，可省 去该单元 的 数控 系 统 使该 单元 的控制 系
统 成本 降 低 70～90％ ，甚 至 只 占用 自动 线 控 制 单 元
PLC的 3～5个 I／O接 口及 小于 1 KB的内存 。特别 是
大 型 自动线 中可 以使控 制系统 的成本显著 下降 。
2 PLC控制的数控 滑台结构
一 般组合机 床 自动线 中 的数 控滑 台采 用步进 电机
驱动 的开环伺 服机 构 。采 用 PLC控 制 的数 控 滑 台 由
可 编程控制器 、环行 脉 冲分 配 器 、步 进 电机 驱动 器 、步
进 电机和伺服传 动机构 等部分组成 ，见 图 1。
伺 服传 动机 构 中的 齿轮 Z1、Z2应该 采取 消 隙措
施 ，避 免产生 反 向死 区或使加工精 度下降 ；而丝杠 传动
副则应该 根据该单 元 的加 工精 度 要求 ，确定 是 否选 用
图 1 数控 滑 台控 制
滚珠 丝杠副 。采用滚珠丝杠 副 ，具 有传动效率高 、系统
刚度 好 、传 动精度高 、使用 寿命 长 的优 点 ，但成 本较 高
且不 能 自锁 。
3 数控滑 台的 PLC控制方法
数 控滑 台的控 制因素主要有 三个 ：
1)行程控制 一 般 液压 滑 台和机 械 滑 台 的行程 控
制是利 用位置或压 力传 感器 (行程 开 关／死 挡 铁 )来 实
现 ；而数 控滑 台的行 程则 采 用数字 控 制来 实 现 。由数
控滑 台的结构 可知 ，滑 台 的行程 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
电机的工作原 理和特性 可知步进 电机 的总转角正 比于
所输 入的控制 脉冲个数 ；因此可 以根 据 伺服 机构 的位
移量 确定 PLC输 出的脉 冲个数 ：
n=△L／3 (1)
式 中 △ —— 伺服机构 的位移量 (mm)
— — 伺服机构 的脉冲 当量 (mm／脉 冲)
2)进 给速度控 制
伺服机构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 PLC输出的脉冲频率 ：
f= Vf／603(Hz) (2)
式 中 ，——伺服机 构 的进 给速 度(mm／min)
3)进 给方 向控制
进给方 向控制 即步进 电机的转 向控 制 。步进 电机
的转向可 以通 过改变步进 电机各绕组 的通 电顺序来改
变其转 向；如三相 步 进 电机通 电顺 序 为 A—AB—B—
BC—C—CA—A⋯ 时 步 进 电 机 正转 ；当绕 组 按 A—
AC—C—CB—B—BA—A⋯ 顺 序通 电时 步进 电机 反
转 。因此 可 以通 过 PLC输 出的方 向控 制信 号 改变 硬
件环 行分配器 的输 出顺 序来 实 现 ，或 经编 程 改变输 出
脉 冲的顺 序来改 变步进 电机绕 组的通 电顺序 实现。
74 组合 机床 与 自动 化加 工 技术
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4 PLC的 软件 控 制逻 辑
由滑 台的 PLC控制方 法可知 ，应 使 步进 电机 的输
入脉 冲总数和 脉冲频率受 到相应 的控制 。因此在控制
软件 上设置一 个脉 冲总数 和脉 冲频 率可控 的脉 冲信 号
发生器 ；对于频 率 较 低 的控 制 脉 冲 ，可 以利用 PLC中
的定 时器构 成 ，如 图 2所示 。脉 冲频 率 可 以通 过定 时
器的定 时常数控制 脉 冲周 期 ，脉 冲总数 控 制则 可 以设
置一脉 冲计数 器 CIO。 当脉 冲数 达 到设 定 值 时 ，计 数
图 2 控 制脉 冲
器 C10动 作 切 断 脉 冲 发
生器 回路 ，使其 停止工 作。
伺服机构 的步进 电机 无脉
冲输 入 时 便 停 止 运转 ，伺
服执行机 构定位 。当伺服
执行机构 的位移速度 要求
较 高时 ，可以用 PLC中的
高速脉 冲发生器 。不 同的
PLC其 高 速 脉 冲 的 频 率
可达 4000～6000Hz。对于 自动线 上的一般 伺服 机构 ，
其速度可 以得到充分 满足 。
5 伺 服 控 制 、驱 动 及 接 口
1)步进 电机控制 系统 的组成
步进 电机 的控 制 系统 由可 编程 控制 器 、环 行 脉 冲
分配 器和步进 电机功率 驱动器组 成 ，其 结构见 图 1。
控制 系统 中 PLC用来 产生控 制脉 冲 ；通 过 PLC编
程输 出一定数量的方 波脉冲 ，控制 步进 电机 的转 角进而
控制伺服机 构 的进 给 量 ；同 时通 过编 程 控制 脉 冲频 率
— — 既伺服机构 的进给速度 ；环行脉 冲分配器将可 编程
控制器输 出的控制 脉 冲按 步进 电机 的通 电顺序 分配 到
相应的绕组 。PLC控制 的步进 电机 可 以采 用软件 环行
分配器 ，也可 以采用如图 1所示 的硬件环行 分配器 。采
用软环 占用 的 PLC资 源较 多 ，特别 是 步进 电机绕 组相
数 M>4时 ，对 于大型生产线应该 予 以充分考虑 。采用
硬件环行 分配器 ，虽 然硬件 结构 稍微 复杂些 ，但 可 以节
省占用 PLC的 I／O 口点数 ，目前 市 场有 多种 专用 芯 片
可以选用 。步进 电机功率驱动 器将 PLC输 出的控制 脉
冲放 大到几 十伏 至上 百伏 、几安 至 十几 安 的驱动 能力 。
一 般 PLC的输 出接 口具 有一 定 的驱 动能 力 ，而通 常 的
晶体管直 流输 出接 口的负载能力仅为 十几伏 至几十伏 、
几十毫安至几 百毫安 。但 对于 功率步进 电机 则要求 几
十伏至上百伏 、几个安 ～十几安 的驱动 能力 ，因此 应该
采用驱动器对输出脉冲进行放 大。
2)可编程控 制器 的接 口
如伺服机构 采用
硬件 环 行 分 配 器 ，则
占用 PLC的 I／0 口
点数 少 于 5点 ，一 般
仅为 3点 。其 中输 入 图 3
口占用 一 点 ，作 为 启 动 控
制信号 ；输 出 口占用 2点 ，
一 点 作 为 PLC的 脉 冲 输
出接 口，接 至伺 服 系统 硬
环 的时 钟 脉 冲输 入端 ，另
一 点作为 步进电机转 向控
制 信 号 ，接至 硬 环 的 相 序
采用 硬 件环 行 分配 器 的接 口
图 4 采 用软 件环 行 分配 器 的
接 口
分配控制端 ，如 图 3所示 ；伺服 系统 采用软件环行 分配
器 时 ，其 接 口如 图 4。
6 结 束 语
将 PLC控制 的开 环 伺 服机 构 用于 某 大 型生 产线
的数控 滑 台 ，每个 滑 台仅 占用 4个 I／0接 口，节 省 了
CNC控制 系统 ，其 脉 冲 当量 为 0．01～0．05mill，进 给
速度 为 ，=3～15m／min，完全 满 足工艺 要 求 和加 工
精度要 求 。
[参考文献】
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[3]胡 泓 ．机 电 一 体 化 原 理 及 应 用 ．北 京 ：国 防 工 业 出 版 社 ，
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[4]杨 长 能等 ．可 编程 序控 制器 基 础及 应 用 ．重 庆 ：重庆 大 学 出
版 社 ，1992
收稿 日期 ：2002一O1—29
作者 简 介 ：康 晶 (1957一)，男 ，辽 宁沈 阳 人 ，大 连 民族 学 院
机 电系教 授 ，工学 硕 士 。 (编辑 江 复 )
(上接 第 73页)
5 结 束 语
通过机床结 构及各 功能部件 的选 型 、设计 ，机 床的
性 能 完全满 足加 工要 求 ，经 过用 户—— 重 庆庆 兰压 缩
机 配件厂使用 一年 多来 的反 映 ，精 度稳 定 ，效 果 良好 。
本 机床大胆选用 先进 的功能部 件 ，如滚珠直线导轨 副 ，
滚珠 丝杠 副 ，变频调 速 器 ，数控 系 统等 ，顺 应 了组 合 机
床朝 着“柔性 化”方 向发展 的潮 流 。
收稿 日期 ：2001—11—29
作者 简 介 ：关 云卿 (1966一)，男 ，重 庆 永 川 人 ，重 庆 工 业 职
业技术学院工程师。 (编辑 苏伯光)
2002年 第 8期 75
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