运动控制系统第8章运动控制系统应用实例
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图 8-4 SH2034D接线图
3）PLC选型与接线
本系统输入输出及通信口要求如下： 一路模拟量输入通道，用于输入来自力传感器的0~10V电压信号； 两个数字量输入点，接上、下限位开关； 一个数字量输出点，输出DIR方向信号； 一个高速脉冲输出点，输出步进电动机驱动器所需的CP脉冲； 两个RS-485通信口，一个连接多通道转换器，一个连接触摸屏。
这是一个步进电动机开环控制系统。触摸屏（HMI）用于设定测试模式、输 入测试参数、监控测试过程并显示测试结果，当操作者在触摸屏上按下测试启 动按钮，PLC就发出低频脉冲信号和正转信号给驱动器，驱动器就带动步进电 动机正转，滑套缓慢下移，勾心前端受力慢慢增大，同时力传感器不断测量顶 杆所施加的力，测微计不断测量形变大小。当受力分别达到2N、4N、6N、8N 时，PLC记录下相应的形变a1、a2、a3、a4，然后就可以计算出纵向刚度值。 按照标准的规定，在上述力值点可能需要把力移去，那么步进电动机就要反转， 这时PLC应输出反转信号和高频脉冲且脉冲数与正转时发出的脉冲数相等即返 回零位。
1. 系统总体设计
1）测试原理
将勾心的后端固定，在它的前端加载，使其产生悬臂梁式的弯曲变形，测量勾
心的弯曲挠度，据此计算其纵向抗弯刚度。它取决于勾心金属材质和横截面而
不是长度。
测试时向勾心的头部均匀缓和地施加向下的力，在力为2N、4N、6N、8N时分
别测量对应的勾心垂直形变长度a1、a2、a3、a4。两个标准规定的测试方法有 所不同，一种是施加的力持续加大到8N；另一种是力加到2N时停住，测量完
PLC接线图如图8-5所示。S1和S2为上、下限位开关，力传感器送来的 模拟信号由A+输入，PLC与步进电动机驱动器的连接未详细画出，参 见图8-6。由Q0.0输出脉冲，Q0.2控制方向。
图 8-3 57BGY060矩频特性
2）步进电动机驱动器选择与接线
步进电动机都有与其型号配套的 驱动器，选型时还要考虑精度、 最高输入脉冲频率、供电电源要 求、安装尺寸Βιβλιοθήκη Baidu因素。本装置选 用各项指标都较好的SH2034D型 驱动器，它采用微细分、全电流 PWM电流控制技术，电动机低 速运行噪音低，无高频声和杂音， 振动小，温升低。其接线图如图 8-4所示。使用时根据驱动器外 壳上拨位开关表将相电流设定为 2.0A，细分倍数最大可设为256。
第8章 运动控制系统应用实例
本章教学要求与目标 掌握运动控制系统工程设计思路 熟悉运动控制系统工程应用方法 了解运动控制系统调试方法和注意事项
8.1 步进电动机在勾心刚度测试仪中的应用
鞋勾心是用于加固鞋底及腰窝部位的条状钢质零件，其纵向刚度对鞋 类质量有重要影响。所以，生产厂家和质量监督部门均需对勾心纵向 刚度进行检测。为此，国家质检总局和标准化委员会发布了国家标准 GB/T 3903.34—2008/ISO 18896:2006《鞋类 勾心试验方法 纵向刚度》， 国家轻工业局发布了轻工行业标准QB/T 1813—2000《皮鞋勾心纵向刚 度试验方法》。本勾心刚度测试仪就是按照这两个标准的要求而设计。
多通道转换器是将测微计和百分表输出的数字信号转换为PLC可以接 收的RS-485接口信号。为了防止系统失控时滑套移到上下允许的极限 造成机构损坏，配置了上、下两个限位开关。
图 8-2 勾心刚度测试仪电气控制系统方框图
2. 步进电动机的选择与控制
1）步进电动机的选择 根据机械计算，电动机慢速正转时最大负载转矩为0.3N·m左右，快速
据此选择西门子S7-200型PLC，CPU模块224XP DC/DC/DC，无需扩 展。它具有14个数字量输入点，10个数字量输出点（其中Q0.0和Q0.1 可以输出频率最高为100kHz的脉冲），2路模拟量输入（分辨率11位， 加1个符号位），1路模拟量输出，两个RS-485通信口，编程指令丰富， 能够实现各种功能。可见完全能够满足系统要求。
螺杆 转轴
支架 触摸屏
顶杆 勾心
百分表
图 8-1 勾心刚度测试仪机械结构示意图
3）电气控制系统方案
从测试原理和机械设计要求，本装置主要是要测出力、形变和臂长，其核心部 件滑套需要电机拖动，考虑到负载力矩较小和形变测量精度要求很高的特点， 可以采用步进电动机拖动。控制器可以采用单片机、PC机或可编程控制器 PLC，考虑到整机体积、抗干扰性能和操作方便，本装置选用PLC。电气控制 系统方框图如图8-2所示。
支架作为滑套和电动机等部件的支承，必须十分稳固，不过由于勾心 长度不一，支架是可以左右调节的，以保证顶杆都能处于前端规定的 位置。当支架左右移动时，百分表可以测出位置的变化，将其输出送 给控制器就能间接算出臂长。触摸屏是人机交互界面。
测微计 滑套
力传感器 夹紧螺母 水平调节 螺母 夹具 电气箱
反转时负载转矩为0.08N·m左右。选择步进电动机时，其静转矩应该大 于最大负载转矩50%以上，且矩频特性满足高低速时的转矩要求，本 装置对温升、噪声等没有特殊要求。表8-1系型号为57BYG060混合式 步进电动机主要参数表，图8-3为其矩频特性，可见该型号电动机能符 合本装置要求。
表 8-1 57BYG060步进电动机参数表
后将2N力移去，再施加4N的力测量，重复同样的方法测量a3、a4。然后按下
式计算纵向刚度
S FL3 103
3a
（8-1）
一般取F为2N，此时按下式得到最精确的值
1 a 10 (3a4 a3 a2 3a1 )
（8-2）
2）结构组成
本装置机械结构示意图见图8-1。勾心被夹紧在夹具上，调整水平调节 螺母可以使勾心的前后端处于水平线上。滑套、力传感器和顶杆装配 成一体，可以上下移动。转轴与步进电动机经同步带连接传动。当步 进电动机正转时，转轴和螺杆随之正转，带动滑套向下移动，通过顶 杆将力施加于勾心前端，力传感器同时测出所施加的力并送给控制器。 此时勾心产生形变，上方的测微计（精度0.001mm）可以准确地测出 微小的形变并送给控制器。
3）PLC选型与接线
本系统输入输出及通信口要求如下： 一路模拟量输入通道，用于输入来自力传感器的0~10V电压信号； 两个数字量输入点，接上、下限位开关； 一个数字量输出点，输出DIR方向信号； 一个高速脉冲输出点，输出步进电动机驱动器所需的CP脉冲； 两个RS-485通信口，一个连接多通道转换器，一个连接触摸屏。
这是一个步进电动机开环控制系统。触摸屏（HMI）用于设定测试模式、输 入测试参数、监控测试过程并显示测试结果，当操作者在触摸屏上按下测试启 动按钮，PLC就发出低频脉冲信号和正转信号给驱动器，驱动器就带动步进电 动机正转，滑套缓慢下移，勾心前端受力慢慢增大，同时力传感器不断测量顶 杆所施加的力，测微计不断测量形变大小。当受力分别达到2N、4N、6N、8N 时，PLC记录下相应的形变a1、a2、a3、a4，然后就可以计算出纵向刚度值。 按照标准的规定，在上述力值点可能需要把力移去，那么步进电动机就要反转， 这时PLC应输出反转信号和高频脉冲且脉冲数与正转时发出的脉冲数相等即返 回零位。
1. 系统总体设计
1）测试原理
将勾心的后端固定，在它的前端加载，使其产生悬臂梁式的弯曲变形，测量勾
心的弯曲挠度，据此计算其纵向抗弯刚度。它取决于勾心金属材质和横截面而
不是长度。
测试时向勾心的头部均匀缓和地施加向下的力，在力为2N、4N、6N、8N时分
别测量对应的勾心垂直形变长度a1、a2、a3、a4。两个标准规定的测试方法有 所不同，一种是施加的力持续加大到8N；另一种是力加到2N时停住，测量完
PLC接线图如图8-5所示。S1和S2为上、下限位开关，力传感器送来的 模拟信号由A+输入，PLC与步进电动机驱动器的连接未详细画出，参 见图8-6。由Q0.0输出脉冲，Q0.2控制方向。
图 8-3 57BGY060矩频特性
2）步进电动机驱动器选择与接线
步进电动机都有与其型号配套的 驱动器，选型时还要考虑精度、 最高输入脉冲频率、供电电源要 求、安装尺寸Βιβλιοθήκη Baidu因素。本装置选 用各项指标都较好的SH2034D型 驱动器，它采用微细分、全电流 PWM电流控制技术，电动机低 速运行噪音低，无高频声和杂音， 振动小，温升低。其接线图如图 8-4所示。使用时根据驱动器外 壳上拨位开关表将相电流设定为 2.0A，细分倍数最大可设为256。
第8章 运动控制系统应用实例
本章教学要求与目标 掌握运动控制系统工程设计思路 熟悉运动控制系统工程应用方法 了解运动控制系统调试方法和注意事项
8.1 步进电动机在勾心刚度测试仪中的应用
鞋勾心是用于加固鞋底及腰窝部位的条状钢质零件，其纵向刚度对鞋 类质量有重要影响。所以，生产厂家和质量监督部门均需对勾心纵向 刚度进行检测。为此，国家质检总局和标准化委员会发布了国家标准 GB/T 3903.34—2008/ISO 18896:2006《鞋类 勾心试验方法 纵向刚度》， 国家轻工业局发布了轻工行业标准QB/T 1813—2000《皮鞋勾心纵向刚 度试验方法》。本勾心刚度测试仪就是按照这两个标准的要求而设计。
多通道转换器是将测微计和百分表输出的数字信号转换为PLC可以接 收的RS-485接口信号。为了防止系统失控时滑套移到上下允许的极限 造成机构损坏，配置了上、下两个限位开关。
图 8-2 勾心刚度测试仪电气控制系统方框图
2. 步进电动机的选择与控制
1）步进电动机的选择 根据机械计算，电动机慢速正转时最大负载转矩为0.3N·m左右，快速
据此选择西门子S7-200型PLC，CPU模块224XP DC/DC/DC，无需扩 展。它具有14个数字量输入点，10个数字量输出点（其中Q0.0和Q0.1 可以输出频率最高为100kHz的脉冲），2路模拟量输入（分辨率11位， 加1个符号位），1路模拟量输出，两个RS-485通信口，编程指令丰富， 能够实现各种功能。可见完全能够满足系统要求。
螺杆 转轴
支架 触摸屏
顶杆 勾心
百分表
图 8-1 勾心刚度测试仪机械结构示意图
3）电气控制系统方案
从测试原理和机械设计要求，本装置主要是要测出力、形变和臂长，其核心部 件滑套需要电机拖动，考虑到负载力矩较小和形变测量精度要求很高的特点， 可以采用步进电动机拖动。控制器可以采用单片机、PC机或可编程控制器 PLC，考虑到整机体积、抗干扰性能和操作方便，本装置选用PLC。电气控制 系统方框图如图8-2所示。
支架作为滑套和电动机等部件的支承，必须十分稳固，不过由于勾心 长度不一，支架是可以左右调节的，以保证顶杆都能处于前端规定的 位置。当支架左右移动时，百分表可以测出位置的变化，将其输出送 给控制器就能间接算出臂长。触摸屏是人机交互界面。
测微计 滑套
力传感器 夹紧螺母 水平调节 螺母 夹具 电气箱
反转时负载转矩为0.08N·m左右。选择步进电动机时，其静转矩应该大 于最大负载转矩50%以上，且矩频特性满足高低速时的转矩要求，本 装置对温升、噪声等没有特殊要求。表8-1系型号为57BYG060混合式 步进电动机主要参数表，图8-3为其矩频特性，可见该型号电动机能符 合本装置要求。
表 8-1 57BYG060步进电动机参数表
后将2N力移去，再施加4N的力测量，重复同样的方法测量a3、a4。然后按下
式计算纵向刚度
S FL3 103
3a
（8-1）
一般取F为2N，此时按下式得到最精确的值
1 a 10 (3a4 a3 a2 3a1 )
（8-2）
2）结构组成
本装置机械结构示意图见图8-1。勾心被夹紧在夹具上，调整水平调节 螺母可以使勾心的前后端处于水平线上。滑套、力传感器和顶杆装配 成一体，可以上下移动。转轴与步进电动机经同步带连接传动。当步 进电动机正转时，转轴和螺杆随之正转，带动滑套向下移动，通过顶 杆将力施加于勾心前端，力传感器同时测出所施加的力并送给控制器。 此时勾心产生形变，上方的测微计（精度0.001mm）可以准确地测出 微小的形变并送给控制器。