第38卷2 0 1 7年第3期 9月 哈 尔 滨 轴 承 Y01.38 NO.3 Sap.201 7 JOURNAL OF HARBIN BEARING 基于P L C控制的步进电机在三轴雕刻机上的应用 蔡东松,董增勇 (杭州技师学院机电系,浙江杭州31 1500) 摘要:主要介绍了利用CPU ST40实现步进电机精确的位置控制,从而实现三轴雕刻机的工作要求 雕刻机 的上位机软件设计部分本文将不做介绍。 关键词:PLC;S7-200 SMART;步进电机;三轴雕刻机 中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编码:1672--4852(2017)03—0030—08 Application of stepping motor in three axis engraving machine based on PLC control Cai Dongsong,Dong Zengyong (Department of mechanical and electrical engineering,Hangzhou Technician College,Hangzhou 3 1 1 500,China) Abstract:This paper mainly introduces the precise position control of stepping motor by using CPU ST40,SO as to realize the working requirements of three axis engraving machine.The design of the upper computer software of engraving machine will not be introduced in this paper. Key words:PLC;S7—200 SMART;stepping motor;three axis engraving machine 作台在 、z车由二个方向上运动的二个滚珠丝杠, 在科学研究和生产实践的诸多领域中.智能 并控制使刀具在垂直方向(即瑚滚珠丝杠。 )上下运动的 控制越来越多地f}J现在人们的生活巾,不仅可以 节约资源,还可以释放很多的劳动力,提高生产 效率。由于汁算机技术的迅速发展,嵌入式系统 产品越来越多地m现在人们的生活巾。PI C由最 简单的逻辑量控制功能逐步发展成为通过计算机 实现系统控制的能力。PLC本身具有高抗f扰性 能,功能稳定,便于T程师开发等诸多优点,倍 受越来越多的产品开发一 到币的青睐。 轴雕刻 机的…现,可以根据人们的爱好,雕刻…自己想 要的小物件,提高了人们的精神生活质量。 ) 网1 三F1由度十字滑行 2.2 系统组成 2 系统设计 2.1系统动作要求 (1)]一作台。T作台的主要功能是川来固 定T件或夹具等,一r作台面上V'JT形凹槽便于丁 件的安装及拆卸。 (2)滚珠丝杠。滚珠丝杠是运动的执行机 构,通过丝杠的正反转动带动装在直线导轨上的 螺母左右运动,在左右各端都有限位开关,通过 左右开关的触发来判断是否运动到了行动的极限 位置。陔机构具有活动灵活、运动平稳等特点, 精度高,摩擦系数小,如图2。 ._『 帅 轴雕刻机主要实现了i个 南度运动控 制,可以模拟数控车床和铣床的加T过程,其 个自 度的十字滑台如冈l所示,主要控制使T 收稿日期:2017-02—09. 作者简介:蔡冬松(1989一). (3)雕刻7J具。 第3期 蔡东松,等:基于PLC控制的步进电机在 轴雕刻机L的应用 图2滚珠丝杠 2.3 系统工作原理 三轴雕刻机主要通过计算机来辅助完成一 个二『 件的制作过程。将需要加T的工件的文件通 过j轴雕刻机上位机控制软件打开,上位机软件 通过算法的计算,得到该T件每次的运动轨迹, 通过串口传送给雕刻机的下位SJLPLC中,PLC通 过控制 、】,、z轴的运动轨迹来实现对工件的雕 刻。瑚、y轴、z轴的相互运动配合实现雕刻功 能。 2.4 系统的硬件组成 系统的硬件组成如图3所示。使用s7—200 SMAR CPU ST40作为控制核心,CPU发送同定的 脉冲个数,通过步进电机驱动器控制步进电机执 行每一步的运行距离,在系统上电初始时系统会 通过CPU控制和机械原点的限位开关来实现机械 零点的初始动作,这样可以完成系统的初始化T 作。 2.5 系统硬件选择 o ~ 1c=l X{ _零赢 棚 步进 邑机 : \!二./I X车f I . .-—_.[] 驱动 器 、 f算机 ● : I’ I C ∽ .-—— Y轴 步进电机 驱刮器 +.( \一../ -Ic o Y钿; 愚慢 .-z轴零点检测 —— ’z轴 步进电机 一厂ii: i\、 驱动船 . // 3系统的组成 2.5.1 PLC 器芯片,基本指令执行时间可达0.15 S,系统 集成了i轴100 kHz高速脉冲输出,完美实现对 步进电机的精确定位控制。s7—200 SMART CPI J 模块均集成1个RS485接口,可以与变频器、 触摸屏、PC机等第三方设备通信。信号板支持 PLC是现代新型的T业控制装置,具有通用 性强、使用方便、应用面广、可靠性高、抗干 扰能力强、编程简单等特点,其内部控制主要专 注于逻辑关系,是一种继电器逻辑,相对于单片 机来说具有通用性和适应性强、完善的故障自检 测能力而且维修方便、高可靠性与柔韧性强等优 点,而且小型的PLC价格比较便宜。在电磁兼容 方面,PLC完全胜于单片机,单片机需要外围设 计很多电路来解决电磁兼容问题,而PLC内部已 经完全解决了这个问题,用户不需要考虑电磁兼 容问题,这样在没计时会节约很多时问和相应的 成本,而且PLC对于使用者来说门槛比较低,对 于硬件、系统定义之类的繁琐的处理,PLC内部 已经完成,而使用者只要专注于逻辑控制的编写 即可。 RS232/RS485自南转换,最多支持4个没备。 CPU ST40具有l2点输m和18点输人,I/O口数量 完全满足系统的应用。 2.5.2步进电机和驱动器 ST40是标准品体管输m类型,具有高速处理 步进电机主要是将电脉冲信号转换成角位 移或者线位移的开环控制执行部件,电机的转速 和停止位置主要取决于脉冲信号的频率和脉冲个 数,而不会受到负载变化的影响。步进电机接收 到一个脉冲信号,就会转动到一个同定的角度, 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速 度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机主 要有以下优点:(1)步距值不受各种干扰冈素 哈 尔 滨 轴 承 第38卷 的影响。(2)误差不长期积累。(3)控制性能 好,启动、停车、反转都是在少数脉冲内完成 的。然而步进电机也有以下缺点:(1)输出力 矩随着转速上升而下降。(2)启动频率过高或 者负载过大容易出现丢步或者堵转现象。通过以 上优缺点对比后发现,步进电机相对于直流电机 和交流伺服控制来说是相当的方便和准确,而且 成本上也节约很多。综合考虑此系统,步进电机 是最优的选择。 步进电机驱动器选择的是YKA2608MG,具 有高性能、低价格、低噪音、平衡性极好等特 点,且具有200细分。步进电机驱动器示意图如 图4。 图5驱动器内部信号端VI 因为驱动器内部光耦工作在10mA电流的工 作状态,且内部已经安装了限流电阻,但是由于 PLC端口输出24V电压500mA的10信号,需要外 部接限流电阻来保证驱动器正常工作,所以采用 共阴的方法与PLC连接。经过计算外部限流电阻 应该接2.2kQ的电阻,共阴接法如图6。 烙 ‘灼 ‘ } ;一@0 c[) b 0一 :_ _. l_ 每 一卷 一■一 +电 ‘.主寿 E设 邑l 直 嚣 L 争j ・脉 冲一 营J } (i -41--r 0 I≯LJ L } 系 一 .…。’ — 咔L 一照舀 ± 避 且 蔓p 唐 驱动器共阴接法 lj I自 l挫 制 蛊一 ・- ■ ; 方向 越舞 鲁.|信 }一 电机 释 波信 }+ d^棚 l P墨 懵 一 }+l b DR b l o ■ ■●:r ^__、 阕 睁.融 誓 ㈡ 2.6.2茸毒 斗 ㈠图 }t 一 步进电机与驱动器连接 景 熹 :4154伯{ 信{ }+ - 4—.下M l+} b . .步进电机有四个接线,份红、蓝、黑、绿四 个颜色,其与驱动器的接线方式如图7。 { ㈠.1㈡卜。、 ; l {一0 Ij 息 l l I.iV d-) 、 A相l +: e n —A }{l 自I相l 『 Il } } _.;Bi b 一 b } R 主睁寅眭电 }机 、 ●t。A÷! 黼 r『 l、 l lBirl } , }: ㈡一~ (f. M㈡ 卜 {1 一㈠ ;・ ’ 4 一 图4驱动器示意图 i - { i I、】 :Al ’l +l }、 l、 ;1{ Il{~ 1 } : : ,“"‘1 A一 图7步进电机与驱动器接线 2.5.3限位开关 接近开关是一种无需与运动部件直接接触就 可以操作的位置开关。当物体接近开关的感应面 到动作距离时,不需要机械接触及施加任何压力 2.6.3系统整体原理图 下面主要介绍系统的整体电气原理图,如 图8。 即可使开关动作,直接给计算机(PLC)装置提 供控制指令。接近开关是一种开关型传感器f即 无触点开关),它既有行程开关、微动开关的特 3系统软件设计 s7—200smart程序的编写主要使用的是西门 子公司特定的编程软件——STEP 7一MicroWIN 性,同时具有传感性能强、动作可靠、性能稳 定、频率响应快、应用寿命长、抗干扰能力强等 特点,并具有防水、防振、耐腐蚀等特点。产品 有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型等类 型。本系统选择的是一款微小的电容式NPN型的 接近开关,作为限位开关使用。 2.6 系统的硬件连接 2.6.1驱动器信号端口连接 因为CPU ST40 10端口输出高电平24V为有 效电平,所以步进电机驱动器采用共阴的接法控 制,因为该系统采用人为的机械原点归零,所以 驱动器的原点输出信号没有用到。驱动器内部信 号端口示意图如图5。 SMART,这款软件是针对smart cpu进行程序开发 和编写的,下面简要说明一下整个系统的软件流 程,上电系统进行归零操作,每个步进电机回归 到自己的机械零点,然后根据上位机的图形执行 动作。 3.1 限位开关程序 通过限位开关动作、PLC的输入触点动作, 根据不同的端口就可以知道相应轴的电机是否回 到了机械原点,读取限位开关程序如图9。 3_2步进电机控制程序 步进电机驱动只要脉冲端口接收到脉冲并给 第3期 蔡力 松,等: 了=PL( 控制的步进电机 轴雕刻机 的也 , ( x轴电帆 Y轴电{r l 瑚 n ll t蝽 GND;C } + vC C C C C C C l 璃蠡 辉 L』1 0_I J 0 I~ 0 I 4 皇 1 ~l ll ‘ 口1b C o1 ’ C C 、 ‘f h—H2w 目Gx轴瑕位 C t1GND C e C C (I) 8系统电气连接 I程序注棒 ’ [== r ’ Y轴疆惶 }、GND L L_ z船 & r ¨0 2 l —ri■;~:: ¨_… 【皋l 9读取限位开关程序 定J 方向信号就会运动到指定的位置, 为CPU srr401L]部集成_r 轴精确运动的脉冲发生器。 3.2.1 油的控制程序 象.导致运动不准确,如网12. .通过编程软件的运动控制向导,设定r 电机的运动控制参数,如图l3、 AXIS()GOTOLq-4,]模块:控捌着电机的运动 下面介 瑚的控制氍序,如图l0 . 没定相应的单相控制方式,就足方向信号 为离低电平的控制方式,米实现电机的 反转功 能,如 l1 . 没定电机的启动和停止速度,这 使用的 彤式 EN使能位:确保EN位保持丌扁,知道DON 位动作,}兑明此次运动执行完成。 STA1 ̄T位:动作表示执行该 模块。 赴默认值。设定步进电机的加减速和匀速运动的 脉冲数据,防止负载过大造成丢步或 堵转的现 Pos他:表示要移动的位 ,是卡H对初始位 置的绝对化 ,就足 运行的脉冲个数, )30 ・34・ 哈 尔 滨 轴 承 第38卷 VVV日D1 0200 0 0 D 1 0v日1 00 VVDD1 a0 : 00 网13嬲袖电机的运动控制参数 第3期 蔡东松,等:基于PLc控制的步进电机在 轴雕刻机上的应用 寄存器接收上位机传送来的数据进行运动。 Speed:为运行速度, 的运行速度是一定 的,所以VD200的数据为一个常数。 Mode位:是来选择运动类型的。0:表示绝 对位置;1:相对位置。我们主要采用的是绝对 位置的运动模式。 CDir:记录当前的运动方向,正转还是反 录在VDIO0寄存器中。 Cpeed:表示当前的运动速度,该值记录在 —VD200寄存器中。 E rror:错误代码输出位,将该值记录到 转。 Abort位:动作说明电机减速直到停止。 C—Pos位:记录着运动的当前位置,该值记 VB100寄存器中。 3.2.2 y轴的控制程序 下面介绍y聋由的控制程序设定,如图l4。 设定相应的单相控制方式,就是方向信号 为高低电平的控制方式,来实现电机的正反转功 能,如图15。 图14 y车由的控制程序 if 铀 『 l IfI目 I 轴运 自(柚1) 日置系i 方向控制 LMT l ss sPEED/、x_0 /\\ l _一㈣j j』图j 八 LMT+ la;RPs /l …N_ 、 B ≈zP l尉{sTP ●t大值 {TRIG DIs 应用的●置大f皂机i斑度 ^A×—sP日BD)为 l麟鞫出 铷l[ 】0G 菇 — 丑● d、僵 十脉 r日电机速度 l㈣自机时间 急停时间 反 补催 l l棚根掘您输入的M^x—sPE目)f■,在运动曲线中可}旨定台q最小遵J宴 ^lN.j铲EE。) —————一个脉 ,s 蜊参考点 Ej E l立最 }口1 存储Ittt ̄3il ㈣器分日 启动,搏止 电机的扁动,悼止速廛cSssl lD),b: f I蛆件 l ^ ———习个臃: ,| lrdi完成 上一个 I r 二 ’ I 生成 l图l5实现y轴电机 反转功能的单相控制方式 瑚和y车由的运动的最大速度是一样的,所以 置的绝对位置,就是要运行的脉冲个数。VD32 配置不需更改,默认就可以。设定了y车由运动的 加减速时间,瑚和y车由的运动加减速是一样的, 不需更改,如图l6。 寄存器接收上位机传送来的数据进行运动。 Speed:运行速度, y车由的运行速度是一定 的,所以VD202的数据为一个常数。 Mode位:选择运动类型,0:绝对位置;1: 通过编程软件的运动控制向导,设定了y车由 电机的运动控制参数,如图l7。 AXISO GOTO语句:模块控制着电机的运动 形式。 相对位置;主要采用的是绝对位置的运动模式。 C Dir:记录当前的运动方向,正转还是反 转。 Abr rt位:动作说明电机减速直到停止。 C Pos位:记录着运动的当前位置,该值记 录在VD102寄存器中。 C d:表示当前的运动速度,该值记录在 EN使能位:确保EN位保持开启,知道DONE 位动作说明,此次运动执行完成。 START位动作:表示执行该语句模块。 Pos位:表示要移动的位置,是相对初始位 ・36・ 哈 尔 滨 轴 承 第38卷 I程序注释 1 VD202寄存器中。 MO.7 VB1O2 VD102 V13202 M0 3 Error:错误代码输出位,将该值记录到 VB102寄存器中。 3.2.3 z轴的控制程序 Z车由主要是刀具的运动,所以加减速的时间 会短一些,控制程序设定如图18。 z轴的控制方式和 、y轴是一样的。设定相 应的单相控制方式,就是方向信号为高低电平的 控制方式,来实现Z牟由电机的正反转功能,如图 19。 为了保护刀具,设定了z轴启动、停止速度 和最大速度,低速运行以免损坏刀具。因为最大 速度改变,加减速的时间也相应进行了修改,如 图20。 通过编程软件的运动控制向导,设定了瑚 电机的运动控制参数,如图21。 AXISO—GOTO语句:模块控制着电机的运动 图l7 y轴步进电机的的运动控制参数 == 熹 = ===: 竺 图18 z轴的控制程序 形式。 EN使能位:确保EN位保持开启, 知道DONE 位动作,说明此次运动执行完成。 START位动作:表示执行该语句模块。 Pos位:表示要移动的位置,是相对初始位 置,绝对位置是要运行的脉冲个数,VD32寄存 器接收上位机传送来的数据进行运动。 Speed:运行速度,z轴的运行速度是一定 的,所以VD204的数据为一个常数。 Mode位:选择运动类型,0:绝对位置;1: 相对位置;主要采用绝对位置的运动模式。 C—Dir:记录当前的运动方向,正转还是反 转。 Abort位:动作说明电机减速直到停止。 第3期 蔡东松,等:基于PLc控制的步进电机在三轴雕刻机上的应用 同l9实现z轴电机正反转功能的单相控制方式 一一。" 卯勰 甜图20设定z轴电机的启动和停止速度 可参照西门子官网的手册。把错误代码存储在寄 存器中,错误代码如表1所示。 错误代码 注解 无错误 图21 z轴电机的运动控制参数 c—SPEED值非法 轴不可用 输出相位非法 触发器位置无效 相位A(PO)输m冲突 相位B(P1)输出冲突 DIS输出冲突 SDB0记录大小无效 SDB0格式非法 MAX_P。s : 着运动的当前位置,该值记 4 结束语 ’。 主要介绍了三轴雕刻机电气部分,通过PLC 控制步进电机来进行工作,并通过控制步进电机 驱动器来实现步进电机的精确控制,实现i轴雕 刻的加_T二动作。其中上位机软件部分本文没有进 行说明。 录在VD104寄存器中。 Cpeed:表示当前的运动速度,该值记录在 —,VD204寄存器中。 Error:错误代码输出位,该值记录 ̄IJVB104 寄存器中。 在每次运动的过程中,都会监测错误标志输 出位,这里主要介绍一些重要的错误代码,其他 (编辑:林小江)