西门子模块6ES7338-4BC01-0AB0详细说明

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大型轴承内、外套上的分度、打孔是轴承中的关键工序，它的工艺水平和质量的高低直接影响轴承的质量、寿命和制造成本。目前轴承行业大型轴承内、外套的分度方式普遍采用人工分度方式，其分度精度低、累积误差大、工作效率低、工人劳动强度大，对轴承性能的提高造成很大的影响。我们所研制的大型数控分度头，采用plc可编程控制器，控制步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行自动分度，结构简单、制造费用低，较好地解决了生产中的实际问题。 

 

总体设计方案

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。其重要特点是只有周期性的误差而无累积误差。步进电机的运行要有步进电机驱动器这一电子装置进行驱动，这种装置就是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：

 

控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。所以步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。因此，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。

 

在我们所设计的数控分度头中，就是利用这一线性关系，用plc进行电气控制、编写分度算法程序，控制脉冲信号的频率和脉冲数，步进电机驱动蜗轮蜗杆对执行工件进行精确分度，并可实现调整、手动分度、自动分度等多种电气控制。

 

电气控制方案为plc＋步进电机及可细分驱动器+数显尺。plc选用dvp20eh00t，ac220v供电20点200hz晶体管输出类型；根据分度精度要求考虑，选用可细分驱动器及步进电机，考虑分度时对工件的扭矩m=fr=fnr，计算出最大扭矩为27nm。按矩频特性选取步进电机，选130byg350a型三相混合式步进电机及配套细分驱动器ms-3h130m。

 

该数控分度头在径向安装数显尺来控制径向分度尺寸；由plc控制步进电机轴向分度。操作人员启动电源，输入分度数后，调整/分度开关置于分度位置即可实现手动或自动分度。在自动分度中可实现分度机构的松开、上升、分度、下降、卡紧再松开的顺序控制。

 

分度算法

设总孔数为d2，总脉冲数d0，分度脉冲可计算为：d0/d2=d4+d5（余数）。若d5=0时，步进电机每转动一次，电机转角控制脉冲均为d4。若d5≠0时，将d5与孔数的一半（d2/2=d8）进行比较，若小于孔数的一半，步进电机先按d4个脉冲分度，步进电机每转过一个分度角，余数d5累积一次，当累积数大于d8时，步进电机则按d4+1个脉冲分度一次，此时累积数减去d4+1脉冲的余数即d2-d5，然后再按d4个脉冲分度，依次类推直至分度完毕；若余数大于孔数的一半，步进电机先按d4+1个脉冲分度，余数按d2-d5累积，当累积数大于d8时，步进电机则按d4个脉冲分度一次，此时累积数减去d4脉冲的余数d5，然后再按d4+1个脉冲分度，依次类推直至分度完毕。这样的分度算法，使孔与孔之间的分度误差始终小于一个脉冲当量，可以实现在3600转角误差为0的分度精度要求。

  1 引言

某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，更换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很可靠。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备完全由晶体管电路构成，考虑到研制周期及可靠性等因素。我们决定采用plc(fx2n-32t) 和触摸屏(mt506s)控制技术重新进行设计。

2 功能概述

该设备实质上就是一台专用的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。

3 装置原理介绍

3.1 系统工作原理

系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;plc作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电 机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在-24v三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括+12v、-12v、+5v等电压 和极性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。

图1 系统工作原理框图

3.2 转换电路原理

信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。

图2中,当5v或0v信号到达电阻r1后，通过光电耦合器使plc输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12v信号到 达“±12v信号”后, 首先点亮发光管d6，然后通过光电耦合器u1-3使plc输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12v信号到达“±12v信号”后,通过光电耦合 器u1-2使plc输入2接通，超出设定极限。当-12v信号到达“-12v信号2”通过光电耦合器u1-3使plc输入接通，指示到达原点，电机停止运 行。

图2 信号转换电路

图3 步进电机驱动电路

3.3 电流检测原理

在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。 电路原理和时序图，如图3，4所示。

图3中，r是电流检测电阻，c用于竞争。在图4中in表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;in表示检测电流的门 限，in=2/3in;i表示电机的实际工作电流。alm表示欠电流报警。系统运行后，当i≥in时，alm报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图 4中的细实线表示alm未报警时的时序图。

图4 电流波形图

3.4 触摸屏的软件设计

(1) 首页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入首页。设备进入准备状态。

(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。

(3) 配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效 率。

(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。

(5) 元件检查窗口:用于对plc内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。

(6) 梯形图检查窗口:用于对plc梯形图的实时监控(由于mt506s不具备直接显示plc内部梯形图的功能，故采用了单独制作显示plc各元件的方法组合成 关键部分梯形图)。

3.5 plc的软件设计

plc程序流程图如图5所示。

系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当完全准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，然后停止运行;当执行复位操作后，系统首先运行显示归零(计数清 零)，然后停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并 停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。

 引 言

用可编程控制器(PLC)产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在精确定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。

PLC对步进电机的控制

PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。

    图1 PLC输出电路图

FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。

·这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以同时单独输出。

·可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_100%。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。

·可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz/10ms_10KHz/10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。

    图2 脉冲、方向输出图

    图3 双脉冲输出图

PLC控制步进电机在送经装置上的应用

采用PLC控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。

经纱张力信号检测

本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点O摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器

根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。

   图4 送经装置结构图

 

织轴驱动系统 

 

织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，然后经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。

对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。因此步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定);当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。因此、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。

    图5 织机送经装置负载转矩图

送经装置采用的是2相56系列步进电机DM5676A。它的技术指标如下：步距角：1.8_;相电流：2.0A;保持转矩：1.35Nm;静转矩：0.07Nm;转动惯量：4.6*10-5Kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩-惯性比高、步进频、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用最多的一种步进电机。

由于步进电机调速方便、调速范围宽，所以步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下：

新型无梭织机 1515PRJ剑杆织机

织物纬密Pw(根/cm) 2_120 2_120

织轴直径D(mm) &nbs

p; 220_800 110_495

经纱张力T(N) 3920 3920

织机转速N(r/min) 200_400 150_250

1 引言

某进口设备大面积的严重损坏。经过修理，更换了一大批电子元件，才勉强恢复原有的技术指标。但其工作已不是很可靠。由于该设备已停产，并且没有相关的代替设备.为配合生产需要，我们投入了对该设备的研制。原设备完全由晶体管电路构成，考虑到研制周期及可靠性等因素。我们决定采用PLC(Fx2N-32T)和触摸屏(MT506S)控制技术重新进行设计。

2 功能概述

该设备实质上就是一台专用的测控步进电机装置的设备。步进电机装置由步进电机及其相关电路组成。该设备功能包括:距离(工作步数)设定、启动、位置显示及清零，(自动、手动)连续或单次运行，(自动、手动)回原点，步进电机欠电流检测报警，原点到位显示等。

3 装置原理介绍

3.1 系统工作原理

系统工作原理如图1所示。图中触摸屏作为人机界面,用来显示并进行操作;PLC作为控制器,接收触摸屏的设定数据并进行逻辑处理,再控制步进电机。步进电机装置是受控对象，不能进行修改。它包括多种电源形式:步进电机工作在－24V三相双三拍直流矩形波的供电方式，还包括＋12V、－12V、+5V等电压和极性不同的信号。为了使多种信号的检测和驱动、步进电机装置相匹配，增加了信号的转换电路。

图1 系统工作原理框图

3.2 转换电路原理

信号转换电路的部分电路，如图2，3所示。

图2中,当5V或0V信号到达电阻R1后，通过光电耦合器使PLC输入1信号接通，此时电机回原点运行的过程中开始计数,记录运行步数。当+12V信号到达“±12V信号”后, 首先点亮发光管D6，然后通过光电耦合器U1-3使PLC输入3接通，指示到达原点，电机停止运行;当-12V信号到达“±12V信号”后,通过光电耦合器U1-2使PLC输入2接通，超出设定极限。当-12V信号到达“-12V信号2”通过光电耦合器U1-3使PLC输入接通，指示到达原点，电机停止运行。

图2 信号转换电路

图3 步进电机驱动电路

3.3 电流检测原理

在步进电机驱动器中，内置了电流检测电路。电机发生断电或欠电流运行时，发出报警信号，使系统停止运行。检测原理是利用三相双三拍步进电机的工作特性，在任意时刻均有两相得电。只要检测任意时刻流过公共地线的电流大于相应额定电流的2/3即可认为工作正常，如小于相应额定电流的2/3，则认为欠电流运行。电路原理和时序图，如图3，4所示。

图3中，R是电流检测电阻，C用于竞争。在图4中IN表示三相双三拍电机流过公共点电流检测电阻的额定工作电流;In表示检测电流的门限，In=2/3IN;I表示电机的实际工作电流。ALM表示欠电流报警。系统运行后，当I≥In时，ALM报警，直到故障排除，系统复位后报警解除。图4中的细实线表示ALM未报警时的时序图。

图4 电流波形图

3.4 触摸屏的软件设计

(1) 首页:打开电源开关后，提示输入登录密码。正确输入密码后，自动进入首页。设备进入准备状态。

(2) 输入窗口:输入窗口主要用于设定并进行操作。包括键盘和主要操作控件，操作者可以直接对设备进行操作。

(3) 配方数据窗口:对于经常用到的操作数据，可以按照提供的格式存放到配方卡记忆体里面,当需要时把它调出来，而不需要临时输入数据，可以大大地提高操作效率。

(4) 控制窗口:控制窗口主要用于对设备的基本功能的操作和显示。包括一个隐藏的小键盘窗口，可以在需要设定数据时弹出。

(5) 元件检查窗口:用于对PLC内部关键元件的监测，以便出错时查找故障。

(6) 梯形图检查窗口:用于对PLC梯形图的实时监控(由于MT506S不具备直接显示PLC内部梯形图的功能，故采用了单独制作显示PLC各元件的方法组合成关键部分梯形图)。

3.5 PLC的软件设计

PLC程序流程图如图5所示。

系统初始化后,完成了距离设定,选择运行方式后.再看系统是否有故障或是否到达原点。当完全准备妥后，分别执行自动或手动操作。在按设定距离执行自动往返运行的过程中，当中间执行断开操作后，系统保持运行方向，运行到设定距离，保持显示，然后停止运行;当执行复位操作后，系统首先运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。在执行手动运行中，当到达设定距离后，系统保持显示，并停止运行;当运行中执行断开操作，方向不变，到达设定距离后，系统保持显示并停止运行;当执行复位操作，则运行显示归零(计数清零)，然后停止运行。

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