基于PLC的滚珠丝杆运动控制系统

尚磊 张可菊* 沈阳工学院信息与控制学院

1 引言

滚珠丝杆是将角位移转化为线位移，或将线位移转化为角位移的理想产品，可以使传动和定位在同一零件上得到实现。另外，滚珠丝杠不但能作定位，传动零件，还可以起到定位的作用。由于使用滚珠作为其传递运动的媒介，使得滑动运动变为滚动运动，从而大大减少了摩擦作用，提高了传动的效率。滚珠丝杠有效率高、精度高、微给进、使用寿命长等特点，因此，它成为了工具机械和精密机械上最常使用的传动元件。

2 系统工作原理

运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。一般表现为直接对电动机的控制，使其完成位置、速度及加速度等实时控制过程，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机作为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，对被控机械实现精确的位置、速度、加速度、转矩或力控制，以及这些被控量的综合控制。

基于PMAC2型运动控制器的滚珠丝杆运动运动系统是由三相电源、变压器、接触器等电子设备和上位计算机、PMAC2运动控制卡型控制器、驱动器、电机、滚珠丝杆、编码器、接近开关以及光栅尺等机械器件组成的。三相电源380V经过变压器变压分别给电动机、驱动器和控制电路供电，接近开关对工作台的行程位置进行限位控制；上位计算机进行系统管理、任务协调和人机交互，运动控制器的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑／数学运算，将分析、计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到驱动器中，为电机驱动装置提供正确的控制信号。驱动器进行功率变换，并驱动电动机按照控制指令转动，并且带动滚珠丝杆以一定的精确度运动；编码器和光栅尺主要对滚珠丝杆的速度、位置信息进行反馈，让控制器或者驱动器对反馈的信息进行比较并发出纠正命令，保证滚珠丝杆的精确度，进而保证工件的精确度。

基于PMAC2型运动控制器的滚珠丝杆运动运动系统是全闭环控制系统，采用编码器对滚珠丝杆的运行速度进行反馈，从而驱动器可以随时更正命令参数使运动达到指定的精度；采用光栅尺等检测元件直接对滚珠丝杆进行位置检测，从而可以消除从电动机到被控单元之间整个机械传动链中的传动误差得带很高的静态定位精度。但其缺点是稳定性不高，系统设计和调整也相当复杂。

3 系统电气图

电气控制系统为整个控制系统提供电源，并对电源进行合理分配，以保证控制系统安全可靠地工作，同时它也是控制系统的执行部分。机床电气控制部分主要实现系统总电源控制、急停、系统冷却控制、系统润滑控制、变压控制、电主轴变频器开关控制、伺服电动机上点控制、系统冷却风扇控制、状态显示灯控制、控制方式选择等功能。主要采用按钮开关、断路器（或空气开关）、电磁继电器、接触器等机床电气元件实现各种控制功能。电气控制部分为系统的各部分提供不同的电源，包括24V直流稳压电源用于PLC部分、三相交流220V电压用于伺服系统、三相交流380V用于电主轴变频器和冷却润滑系统等。系统电气图如下图所示。

QF10为控制电路提供短路和过电流保护。开机时按下开机按钮SB2，接触器KM1线圈通电，主触点闭合，主电路电源接通。当开机按钮弹起时接触器KM1线圈由自身的辅助触点保持电路的接通，系统交由软件控制。关机时按下关机按钮SB1，主电路断电。软件控制系统启动时，将中间断电器KA11线圈使能，其常开触点闭合，使关机按钮失效，防止由于误操作关机按钮造成系统突然断电故障。当控制系统可以接受关机操作时，软件控制系统使中间断电器KA11线圈禁能，其常开触点断开；使关机按钮有效。当系统发成异常时，可按下急停按钮使主电路断电。在主控制电路中串联了两个急停按钮SE1和SE2，将它们分别装在电控制柜操作面板上和机床上，以方便操作。

现代数控机床中，滚珠丝杆起了及其重要的作用。它作为数控机床运动系统中的传动，定位部件，其精度的高低往往直接决定着数控机床的加工精度。由于制造工艺和制造手段的限制，滚珠丝杠制造精度的提高已经变得十分困难，所以，高精度的滚珠丝杠检测手段就成为了补偿数控机床加工误差，提高机床加工精度的重要方式。另外，出于满足滚珠丝杠制造商对其出厂产品检验的需要，设计一种高性能的丝杆检验设备也是十分必要的。