6ES7518-4UP00-0AB0参数详细

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1 概 述

在组合机床自动线中，一般根据不同的加工精度要求设置三种滑台
（1）液压滑台，用于切削量大，加工精度要求较低的粗加工工序中；
（2）机械滑台，用于切削量中等，具有一定加工精度要求的半精加工工序中；
（3）数控滑台，用于切削量小，加工精度要求很高的精加工工序中。

可编程控制器（简称PLC）以其通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程简便易学、易于掌握、体积小、维修工作少、现场接口安装方便等一系列优点，被广泛应用于工业自动控制中。特别是在组合机床自动生产线的控制及CNC机床的S、T、M功能控制更显示出其卓越的性能。PLC控制的步进电机开环伺服机构应用于组合机床自动生产线上的数控滑台控制，可省去该单元的数控系统使该单元的控制系统成本降低70~90%，甚至只占用自动线控制单元PLC的3~5个I/O接口及<1KB的内存。特别是大型自动线中可以使控制系统的成本显著下降。

2 PLC控制的数控滑台结构

一般组合机床自动线中的数控滑台采用步进电机驱动的开环伺服机构。采用PLC控制的数控滑台由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成，

伺服传动机构中的齿轮Z1、Z2应该采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降；而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。

3 数控滑台的PLC控制方法
数控滑台的控制因素主要有三个：

3.1 行程控制
      一般液压滑台和机械滑台的行程控制是利用位置或压力传感器（行程开关/死挡铁）来实现；而数控滑台的行程则采用数字控制来实现。由数控滑台的结构可知，滑台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数；因此可以根据伺服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服机构的位移量（mm）
d ——伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）

3.2 进给速度控制
伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率;因此可以根据该工序要求的进给速度,确定其PLC输出的脉冲频率:
f=Vf/60d (Hz) (2)
式中 Vf——伺服机构的进给速度(mm/min)

3.3 进给方向控制
      进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机的转向可以通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向;如三相步进电机通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当绕组按A-AC-C-CB-B-BA-A…顺序通电时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序来实现，或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序实现。

4 PLC的软件控制逻辑
      由滑台的PLC控制方法可知，应使步进电机的输入脉冲总数和脉冲频率受到相应的控制。因此在控制软件上设置一个脉冲总数和脉冲频率可控的脉冲信号发生器；对于频率较低的控制脉冲，可以利用PLC中的定时器构成，如图2所示。脉冲频率可以通过定时器的定时常数控制脉冲周期，脉冲总数控制则可以设置一脉冲计数器C10。当脉冲数达到设定值时，计数器C10动作切断脉冲发生器回路，使其停止工作。伺服机构的步进电机无脉冲输入时便停止运转，伺服执行机构定位。当伺服执行机构的位移速度要求较高时，可以用PLC中的高速脉冲发生器。不同的PLC其高速脉冲的频率可达4000~6000Hz。对于自动线上的一般伺服机构，其速度可以得到充分满足。

5 伺服控制、驱动及接口

5.1 步进电机控制系统的组成
      步进电机的控制系统由可编程控制器、环行脉冲分配器和步进电机功率驱动器组成，控制系统中PLC用来产生控制脉冲；通过PLC编程输出一定数量的方波脉冲，控制步进电机的转角进而控制伺服机构的进给量；同时通过编程控制脉冲频率——既伺服机构的进给速度；环行脉冲分配器将可编程控制器输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。PLC控制的步进电机可以采用软件环行分配器，也可以采用如图1所示的硬件环行分配器。采用软环占用的PLC资源较多，特别是步进电机绕组相数M>4时，对于大型生产线应该予以充分考虑。采用硬件环行分配器，虽然硬件结构稍微复杂些，但可以节省占用PLC的I/O口点数，目前市场有多种专用芯片可以选用。步进电机功率驱动器将PLC输出的控制脉冲放大到几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力。一般PLC的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几~几十伏特、几十~几百毫安。但对于功率步进电机则要求几十~上百伏特、几安~十几安的驱动能力，因此应该采用驱动器对输出脉冲进行放大。

5.2 可编程控制器的接口
      如伺服机构采用硬件环行分配器，则占用PLC的I/O口点数少于5点，一般仅为3点。其中I口占用一点，作为启动控制信号；O口占用2点，一点作为PLC的脉冲输出接口，接至伺服系统硬环的时钟脉冲输入端，另一点作为步进电机转向控制信号，接至硬环的相序分配控制端，如图3所示；伺服系统采用软件环行分配器时，

6 应用实例与结论
      将PLC控制的开环伺服机构用于某大型生产线的数控滑台，每个滑台仅占用4个I/O接口，节省了CNC控制系统，其脉冲当量为0.01~0.05mm,进给速度为Vf=3~15m/min,完全满足工艺要求和加工精度要求

1  引言 
      目前，随着我国经济的发展，铁路运输的紧张状况将愈来愈突出，为解决铁路运输紧张的局面，铁道部提出提速问题。但随着车速的提高，车轮轴承温升问题愈发重要。这就需要加强对轴承温升的监控。
当有火车经过时，其自身不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，利用安装于钢轨两侧的热像仪吸收车轮发出的这种红外辐射能量，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况,对温升超标的车轴实时报警，避免由于车轴热切而造成列车脱轨或颠覆等事故的发生。本文采用PLC控制步进电机驱动热像仪来检测车轮轴温。

2  系统设计
      现代的运动控制方法主要有直流伺服驱动、交流伺服驱动、步进伺服驱动。其中交流伺服驱动的性能好，但价格较高。随着步进伺服驱动控制技术迅速发展，步进伺服驱动细分精度日益提高，且逐步克服了振荡，失步的不足，其性价比大幅度提高。步进电机可直接用数字信号控制，无需反馈可开环工作，无累积定位误差，控制精度高，因此被广泛用于数字控制和计算机控制等精密定位的控制系统中。
      可编程序控制器PLC是一种适于工业现场控制的技术平台。PLC综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向过程、面向用户的简单编程语言，用户可通过软件设计，实现各种复杂的逻辑控制。PLC具有较好的实时刷新功能，可以产生一定频率的脉冲信号，而且PLC具有大功率的晶体管输出接口，能够满足步进电机绕组的电压和电流要求。因此，本系统采用可编程控制器(PLC)为控制核心，步进电动机为执行元件、传感器为检测元件的新型系统，实现对温升的检测，系统的结构如图1所示。

图1     系统结构图
      当有火车驶来时，传感器将检测到的速度脉冲信号送入PLC接口X0，PLC根据这个脉冲信号计算出相应的火车速度，并输出一个相应的速度脉冲信号给步进电机驱动器，驱动器控制步进电机，使其驱动热像仪做半圆周运动，当热象仪速度与火车速度相同或相近时，对火车车轮进行跟踪拍照，从而确定车轮轴温。红外探测器沿铁轨进行布置;热像仪安放在离车轨距离约1m的架子上。
      用于步进电机的角位移与输入脉冲的个数成正比;转速与脉冲频率成正比;转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。因此利用PLC可产生一定周期的控制脉冲，使移位寄存器移位，产生相应时序，通过环形分配器使输出继电器按时序接通驱动步进电机并由计数器控制脉冲个数，使步进电机按一定速度，转动一定的角度。根据功能要求，综合考虑步进电机的性能，选择两相混合步进电动机2S42Q-03848，步距角，相电流1.2A，保持力矩0.32Nm，用于驱动热象仪;步进电机驱动器选用2M412，电源电压DC为18V~36V，它根据PLC的控制指令对电机实现脉冲和方向控制。PLC对电机的控制有两种方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y2输出脉冲、Y1、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Yl输出CCW脉冲)，我们采用种方法。

3  控制系统的实现
      在本系统中，如何使PLC根据脉冲宽度计算出火车的相应速度是十分关键的。我们选用台达PLC DVP16EH00T，共8点输入(X0~X7)，8点输出(YO~Y7)，控制步进电机的工作状态和转速;除具有一般逻辑控制与运算功能、PLSY脉冲直接输出等外，更重要的是它的SPD脉冲速度侦测功能，可以方便的用来测量车速。
SPD的控制格式:
当控制信号为ON时，D1计算由X0所输入的高速脉波，40ms之后自动停止计算，结果被存于D0中，40ms计时完毕时，D1内容被清除为0，当控制信号再度为ON时，D1重新接受计数。SPD指令主要目的在求出回转速度的比例值，而测得之D0的结果与回转速度成比例，由下列公式求得电机转速[2]。

式中: N:转速;
  n:旋转设备转一圈所产生的脉波数;
  t:侦测时间(ms)。
系统的控制接线图如图2所示，I/O口及其功能如表1所示。

图2     系统控制接线图

表1     系统中各I/O功能表

4  系统软件设计
步进电机工作都要经过加速→高速→减速→低速→停止的过程，它的脉冲频率特性如图3示。其中0a段为加速阶段，由0加速到f1;ab段为高速(匀速)运行阶段;bc段为减速运行阶段，由f1减速到f2;cd段为低速运行阶段，直至到d点停止。

图3     脉冲频率特性
PLSR指令为附加减速功能的脉冲输出指令，通过设定脉冲输出的大频率值，全部脉冲输出的总脉冲数和加减速的时间，来控制步进电机的速率及转向。该指令的加减速的变速段数固定为10段，输出时以每次增加S1/10的频率开始输出脉冲，每个频率输出脉冲的时间都是固定S3/9。图4是根据电气控制原理，结合PLC的程序设计方法和生产工艺要求，设计的控制软件程序流程图。

图4     运行时序图

5  结束语
      本文针对火车车轮轴温检测，设计的基于可编程控制器和步进电机的控制系统，实现了对火车车轮轴承的自动拍照，具有控制简单、运行稳定可靠、开发周期短等优点，是一种切实可行的步进电机控制方