庞爱民 李翔 郭一君
武汉纺织大学机械工程与自动化学院 武汉 430073
摘要：针对目前自动注油装置更多的偏向于专用设计，无法满足自动化生产线的普遍需求，本文探讨了以可编程控制器为核心，以步进电机驱动电动缸为模型的开环运动控制系统。整个系统在某企业提花机关键零部件柔性装配生产线的预定工位上实现了其控制要求。实际生产表明，设备运行状态良好，体现了步进电机在开环控制中的响应速度快、定位精准、成本低等特点。
关键字：可编程控制器；微进给；步进电机；开环控制；二次开发
Design of open-loop control system for tiny movement based on PLC
PANG Aimin,LI Xiang,GUO Yijun
(School of mechanical engineering and automation, Wuhan Textile University，Wuhan430073,China)
Abstract: . At present, the automatic oiling device is more inclined to special design, which can not meet the general needs of the automatic production line,this paper discusses the open-loop motion control system with PLC as the core and stepper motor driven electric cylinder as the model.The whole system realizes its control requirements on the predetermined position of the flexible assembly line of the key parts of the jacquard machine in a enterprise. The actual production shows that the equipment is in better condition, which embodies the characteristics of fast response, precise positioning and low cost of stepping motor in open-loop control.
Keywords: PLC; Tiny Movement;Stepping motor; Open loop control;Secondary development
0 引言
随着现代工业的蓬勃发展，智能车间、生产工艺自动化已成必然，某企业的提花机关键零部件柔性装配生产线迫切需要进行自动化改造。该企业提出，需要在某工件表面黏附润滑油脂0.2cm3。文献[1]采用液压推杆的方式代替人工注油，其精度难以控制。文献[2]根据液压油的特性设计了一套专用的注油装置，可移植性差。针对目前市场上流通的自动注油器精度无法达到要求，且不适用于工业生产，本文给出了一种基于可编程控制器的步进电机控制的自动注油方法。
1 系统设计
开环控制系统的优点是结构简单，系统的稳定性好，设备成本低。缺点是当控制过程受到各种扰动因素影响时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预估的的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许限度时，开环控制系统便无法满足技术要求。
查阅手册可知42BYG250FA步进电机的最大轴向力为10N，自动注油实际所需的推力仅为5N，未超过步进电机的最大负载能力。同时，整个系统的输入扰动量在预期之内，满足使用开环控制的条件。该系统的自动控制框图如图1所示，在该系统中采用可编程控制器和步进电机控制器作为施控装置，步进电机、气缸作为执行元件。
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图 1 自动注油开环控制系统方框图
控制系统硬件逻辑连接如图2所示，需要注意的是：PLC和步进电机控制器的工作电压虽然都是0-24V，但是两者的输入与输出之间必须连接中间继电器作为负载，避免瞬间电流过大导致触点损坏。
图 2 硬件逻辑连接图
2 硬件配置
本系统的主要硬件配置如下：
（1）可编程控制器 ：西门子S7-200系列226CN。
（2）步进电机控制器：DKC-Y110。
（3）电动缸：行程100mm，由步进电机和丝杆组成，丝杆导程9mm。步进电机型号为42BYG250FA,专用驱动器型号为TB6600。
（4）气缸：亚德客，HLF16x50s。
本系统的硬件选型在能够满足控制需求的基础上，偏向于控制方便、安装体积小等方面。
该控制系统通过接近开关、限位开关以及磁电开关向控制器传递状态信息。各检测元件以及控制器的工作电压均为0-24V，控制器作为负载的情况下，数字量输出信号可直接接入控制器的输入端。
步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的执行件，是现代数字程序控制系统的主要执行元件。在负载未超过其限定值且配有专用驱动器时，步进电机的速度与位置仅取决于脉冲频率和脉冲数。在工业控制领域，通常采用增量型编码器与步进电机构成闭环控制系统，但是这样不仅增加控制成本[3]而且编码器的使用会干涉其他器件。由于步进电机仅有周期性误差而没有累计误差，且本系统的精度要求不高，可编程控制器与步进电机相结合的控制模式可以满足该控制系统的检测、监测以及控制等需
求[4]。
步进电机控制器是一种多路数字量输出输出的脉冲发射器。该控制系统选用的步进电机控制器拥有4路数字量输入输出通道，可以接入同工作电压的限位开关检测丝杆的运行位置，便于调整电机的转动方向。同时，该控制器内置了脉冲计数器，可直观反应电机实际行程，便于测试。
本控制系统选用滑台气缸作为位移执行器件。根据手册，滑台气缸具有良好的直线度及不回转精度，更适合精密组装的场合使用。同时，HLF16x50滑台气缸顶面附带磁性开关安装槽。
3 程序设计
本开环控制系统，采用各类传感器实时监测各元器件的运行状态，在确保各执行器件到达正确的工作位置的同时隔离每一个步骤。系统的程序设计流程如图3所示，需要特殊说明的是，S7-200系列可编程控制器无法使用一个中断事件向步进电机发出不同数量的脉冲。原因是，在PLC中可以将多个中断事件附加在一个中断例行程序上，但一个事件不能同时附加在多个中断例行程序上[4]。为解决该问题，程序设计针对步进电机控制器进行二次开发。步进电机控制器从PLC接受两路使能信号，通过判断输入口的状态，根据预先设计的程序，步进电机控制器向步进电机发出指定脉冲数。
图 3 程序流程图
4 实验分析
为验证步进电机在低启动频率、低运行频率以及短行程的状态下能否达到预期效果，搭建实验测试平台如图4所示（为观察方便，拆下左侧支撑）。
图 4 实验平台
为测试该机构中步进电机的最佳运行速度，设置步进电机的启动速度为1000HZ，分别测试其运行速度在1000HZ、1500HZ以及2000HZ时的行程，由于电机动作脉冲过小，重复实验100次取累计值，实际测试整个机构在实际运行中的位移（单位：mm）如图5所示，系列1、系列2和系列3分别为运行频1000HZ、1500HZ以及2000HZ。
图 5 不同运行频率下电动缸位移量
在脉冲数递增的情况下，运行速度为1500HZ时，折线较为平滑，因此选择1500HZ作为电机的运行速度。根据丝杆导程与齿轮传动比可计算出该传动机构向前推进0.2mm时，步进电机转动的理论脉冲数为1416.53个，根据实验数据可以看出在控制器发出1460个以及1470个脉冲的时候，可以达到预期运行效果。为测试两者在该工作环境下更契合，保持电机的启动、运行频率不变，测试连续发射100次脉冲时步进电机的实际运行脉冲数如表1和表2所示。
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5 结论
可编程控制器适用于采集工业领域中大多数工况的数字量信号，结合气缸与步进电机等执行元件，可满足大部分控制需求。成功的将以往工人主观臆断的注油量转换为精准的数字量，生产效率明显的得到提高，生产成本得到有效的降低。经验证：该方法满足了预设工位的生产需求。
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