技术报告 数控十字滑台的控制

西安文理学院物理与机械电子工程学院机械专业技能拓展训练（设计）

题目数控十字滑台的控制

学生姓名乔旭罗纳德

指导教师韦炜、焦艳梅

设计所在单位西安文理学院

2014年12月

摘要

摘要:本篇文章主要进行西门子的可编程序控制器的十字滑台控制系统的设计。通过对各种控制方法的对比进行选择了用可编程序控制器来控制步进电机，以达到十字滑台的工作效果。主要内容有十字滑台控制系统介绍、十字滑台控制系统硬件选择、梯形图与I/O分配。

关键字：可编程序控制器；步进电机；十字滑台

目录

摘要 (2)

1 十字滑台控制系统介绍 (2)

1.1 系统构成 (2)

1.2 位置传感器 (3)

1.3 电机与驱动装置 (5)

2 十字滑台控制系统硬件选择 (6)

2.1 基本结构 (6)

2.1.1 电源 (6)

2.1.2 中央处理单元(CPU) (6)

2.1.3存储器 (7)

2.1.4 输入输出接口电路 (7)

2.1.5功能模块 (7)

2.2 编辑本段工作原理 (7)

2.2.1 输入输出（I/O）点数的估算 (10)

2.2.2存储器容量的估算 (11)

2.2.3控制功能的选择 (11)

2.2.4可编程逻辑控制器的类型 (14)

2.2.5 PLC输入/输出类型 (14)

2.2.6转换原理 (15)

3 十字滑台运动原理 (17)

3.1 实验原理 (17)

3.2实验设备及仪器 (18)

3.3关于步进电机模块的介绍 (18)

参考文献 (23)

1 十字滑台控制系统介绍

十字滑台是许多数控加工设备和电子加工设备。如：数控车床的纵横进刀装置数控铣床和数控钻床的XY 工作台，激光加工设备工作台，表面贴装设备等。

1.1 系统构成

十字滑台控制系统主要由plc运动控制器，伺服（步进）电机及相关软件等组成。控制计算机可以是普通的PlC机。运动控制器是安装在计算机总线扩充槽内的电机运动控制卡。如图所示为十字滑台机械本体。它由两个直线运动单元组成，每个直线运动单元主要包括：工作台面，滚珠丝杆，导轨，轴承座，基座等部分。通过两个直线运动单元的组合运动，可以使工作台面产生两个自由度 XY 轴方向的平面运动。

图1-1

1.2 位置传感器

系统中常用的位置传感器包括旋转编码器和电位器等。

1．旋转编码器

旋转编码器是一种角位移传感器。它分为光电式、接触式和电磁感应式三种。从输出量上可分为增量编码器和绝对编码器两种。其中光电式编码器是闭环控制系统中最常用的位置传感器。

2．电位器

电位器分为直线型、测量位移和旋转型。旋转型电位器的基本原理是在环状电阻两端加上电压，通过电刷的滑动，可以直接得到与电刷所在角度，位置相对应的电压、电位器的输出电压与阻值无关,所以由于温度变化而导致的阻值变化对输出电压没有影响。

图1-2

电位器输出的检测信号是模拟信号，为了从中提取有用的信息，一般要经过两个处理过程。首先是进行放大运算和变换等前置处理，然后通过 A/D 转换将模拟信号转换成数字信号，输入控制器，完成数字控制。

3．运动控制器

运动控制器作为机电一体化系统的核心控制系统已经历了20多年的发展，正在逐步取代传统封闭型的控制系统，被广大机电一体化系统设计工程师所采用。与此同时与执行装置所配套的伺服驱动系统也在不断地发展。许多系统已经具备

了各种运动控制功能，对于给定的控制对象，必须根据控制目标选用适当的执行与驱动装置，然后根据执行与驱动装置的功能特征选用合适的运动控制器以最大限度地利用控制与驱动装置的功能，降低系统成本。

目前被工业界广泛采用的交流伺服系统，电机驱动通常具有力矩控制，速度控制和位置控制等闭环控制功能，而常用的运动控制器除了具有轨迹规划功能外，也具有位置控制和速度控制等闭环控制功能。

如果采用伺服系统的位置闭环控制，配套选用的控制器则只需具有轨迹规划功能，这样的运动控制器通常价格比较低廉，而且稳定性和可靠性也会比较好。如图所示。如果选用步进电机和驱动系统，该类型控制器也同样适用。这种类型的运动控制器通常叫做位置脉冲型运动控制器。

如果我们想利用伺服驱动的速度闭环来完成系统的位置闭环控制，则需要选用具有位置闭环控制功能的运动控制器。如图所示，这种控制方式通常比第一种控制方式具有更高的精度，但系统的调整比第一种控制方式复杂和困难。在这种控制方式下，运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，向伺服驱动器输出模拟电压控制信号，伺服驱动装置接受速度控制信号，完成速度闭环控制。目前，这种类型的运动控制器也已非常普遍。

通常这种驱动装置结构简单，成本低。如果伺服驱动装置只具有力矩闭环控制功能，则需选用具有速度闭环和位置闭环控制功能的运动控制器来完成系统

图1-3

的高精度位置和轨迹控制。这种类型的运动控制器结构比较复杂，成本也会比较高，但对于需要多轴运动控制的系统来说，如果采用具有多轴控制能力的运动控制器，总的系统成本可能会比其它两种方式还要低廉一些。因为多个驱动成本的

降低幅度会超过一块运动控制器成本的增加幅度。不过，除了一些能够配套提供控制器和相应驱动器的生产厂家外，这种控制方式比较少被采用。

1.3电机与驱动装置

根据驱动和控制精度的要求，十字滑台控制系统的执行装置可以分别选用交流伺服电机，直流伺服电机，和步进电机。

交流伺服电机具有起动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的优点。但维护困难、使用寿命短、速度受到限制。

直流伺服电机的转速控制采用电压控制方式。因为控制电压与电机转速成正比、高加速度、无电刷维护、环境要求低等优点、但驱动电路复杂、价格高。交流伺服电机的控制分为电压控制和频率控制两种方式。

步进电机不需要传感器、不需要反馈，用于实现开环控制。步进电机可以直接用数字信号进行控制，与plc的接口比较容易。没有电刷、维护方便、寿命长、启动、停止、正转、反转容易控制。步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步，输入脉冲而电机不转动等。对步进电机的控制包括单相励磁、双相励磁及单、双相励磁控制。其中，单相励磁精度高，但易失步；双相励磁输出转矩大，转子过冲小为步进电机的常用控制方式。但效率低。单、双相励磁控制方式分辨率高、运转平稳。

三相异步电机控制简单，但没有精确度，可靠性太差，所以不予考虑。

结论：综上所述，本次设计采用步进电机控制系统。