立式加工中心进给系统的联动控制

山晓媛+桑会庆

（沈阳机床股份有限公司中捷立加分公司 辽宁 沈阳 110142）

摘 要：开放式数控系统具有模块逻辑独立、接口标准化、柔性和可移植性好的特点，它满足了制造业对产品多样化的要求，成为数控系统的主要发展趋势。本文采用PC机GT-400-SV运动控制卡和PLC相结合的方式完成了进给系统的联动控制。本文所采用的方法同样适用于类似形式的机床使用。

关键词：开放式数控系统；运动过程控制

1.步进电机与驱动器

步进电机的基本参数：

（1）电机固有步距角；表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电機所转动的角度。

（2）步进电机的相数：指电机内部的线囤组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.50°、五相的为0.36°/0.72°。

（3）保持转矩（HOLDINGTORQUE）：指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转予的力矩。

（4）DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。

步进电机驱动器：

步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比，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。

2.联动控制的实现

运动控制器可以实现两种轨迹的多轴协调运动：直线插补、圆弧插补。描述复杂的多轴协调运动轨迹的最简单的方法是利用坐标系，在坐标系内能够方便地描述运动对象的运动轨迹。因此，多轴协调运动又称为坐标系运动；多轴协调运动模式又称为坐标系运动控制模式。

运动控制器通过坐标映射将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系运动控制模式。在坐标系运动控制模式下，可以实现单段轨迹运动，多段轨迹连续运动。运动控制器开辟了底层运动数据缓冲区，可以实现多段轨迹快速、稳定的连续运动。

（1）运动坐标系与控制轴的映射运动控制器利用一个四维坐标系（X，Y，Z，A），描述直线、圆弧插补轨迹。对于数控车系统只需要利用二维（X，Y）坐标系来描述运动轨迹。

通过调用GT_MapAxis（）命令将在坐标系内描述的运动通过映射关系映射到相应的轴上。从而建立各轴的运动和要求的运动轨迹之间的运动学传递关系。运动控制器根据坐标映射关系，控制各轴运动，实现要求的运动轨迹。调用GTMapAxis（）命令时，所映射的各轴必须处于静止状态。

简单的坐标映射代码如下所示：

Void MapAxis（）

{short rtn；

Double cnt1[5]={l，O，O，0，0）；/*根据系统设置坐标映射数组*/

Double cnt2[5]={0，1，0，0，0}；/*根据系统设置坐标映射数组*/

rtn：GT_MapAxis（1，cntl）；error（rtn）； /*映射第1轴到X轴*/

rtn=GT_MapAxis（2，cnt2）；error（rtn）； /*映射第2轴到Y轴*/）

}

如果控制轴1和控制轴2所对应的运动方向由于某种原因不垂直。为了利用直角坐标系X-O-Y描述运动轨迹，可以通过简单的变换得到如下的坐标

映射关系：l号轴=X+Ytana

2号轴=Y/cosa

使用上述映射关系，可以方便地直接在直角坐标系下描述运动轨迹。运动控制器自动地完成倾斜补偿运算。坐标映射代码如下：

Void MapAxis（）

{short rtn；？

Double cnt1[5]={l，O，0，O，O}；

Double cnt2[5]={O，O，O，O，0}；

cntl[1]=tan（3），cnt2[1]=1/cos（3）；/*这里倾斜角度为3*/

rtn=GT_MapAxis（1，cntl）；error（rtn）；？rtn=GT_MapAxis（2，cnt2）；error（rtn）；

}

以次类推，坐标平移、坐标旋转、坐标比例变换（利用坐标比例变换能够方便地实现长度单位转换）等计算功能都能够通过坐标映射实现。

（2）连续轨迹运动的实现

运动控制器在上一段轨迹运动未完成情况下，不接受新的轨迹运动命令。只有在前一轨迹运动结束后，才可以发送新的坐标系轨迹运动命令。为了方便地实现连续轨迹运动，运动控制器提供了一个缓冲区。可以先将部分坐标系运动命令存放在这个控制器内部的循环队列命令缓冲区，然后发出执行命令。在运动控制器执行缓冲区内存放的运动命令的同时，主机能够继续向这个缓冲区内下载运动命令。这样就降低了对主机通讯实时性的要求，又提高了通讯效率。而运动控制器通过对缓冲区内的连续段运动轨迹信息的预处理，能够获得良好的运动特性。

为了将轨迹运动命令存入缓冲区，首先需要对缓冲区进行操作，在数控车系统中，经常使用到的缓冲区操作函数如下：

GT_StnList（）-打开并清空缓冲区；

GT_MvXY（）-定位缓冲区坐标起点（二维）；

GT_AddList（）-再次打开缓冲区；

GT_EndList（）-关闭缓冲区。

当运动控制器上电后，第一次采用坐标系运动模式时，必须先调用GT_StnList（）命令进入缓冲区命令输入状态；打开并清空缓冲区后，必须调用定位缓冲区起点的命令，这样运动控制器将从当前位置按照直线插补的方式移动到该命令指定位置，并将速度减速到零，然后顺序执行后续的缓冲区命令；为了接续原有的坐标系运动命令，增加新的坐标系运动命令，可以调用GT_AddList（）打开已经关闭的缓冲区，坐标系运动命令发送完毕后，可以再次调用GT_EndList（）命令，关闭缓冲区，用于增加缓冲区内的坐标系命令，用户可以多次调用GT_AddList（）。

可以存入缓冲区的命令主要是速度、加速度设置指令及直线、圆弧插补指令。数控车系统中常用的放入缓冲区的命令如下：

GT_SetSynVel（）-设置多轴协调运动轨迹切线速度；

GT_SetSynAcc（）-设置多轴协调运动轨迹切线加速度；GT_LnXY（）-两维直线插补；GT_ArcXY（）-XY平面圆弧插补（圆心位置和角度为输入）；GT_ArcXYP（）-XY平面圆弧插补（终点位置和半径为输入）；可以不断向缓冲区中发送坐标系运动命令，直到缓冲区满。缓冲区满时，运动控制器拒绝接收用户输入的多轴协调运动描述命令，并返回缓冲区满的信息。在启动缓冲区中的命令后，随着命令的执行，缓冲区会有新的空間，可以继续发送更多的命令。

启动、停止缓冲区中的坐标系运动命令的函数有GT_StrtMtn（）、GT_StpMtn（）和GT_EStpMtn（）。调用GT_StrtMtn（）命令，缓冲区中的命令将顺序执行。在启动缓冲区中命令之前，必须确定运动控制器的缓冲区内有运动描述命令可以被执行，也就是说在此之前主机已调用过GT_StrtList（）和GT_MvxY命令。调用GT_StrtMtn命令后，不发关闭缓冲区命令GT_EndList，运动控制器会一边将主机新发的坐标系运动命令加入缓冲区，一边执行缓冲区中的命令；GT_StpMtn（）表示平滑停止坐标系运动；GT_EStpMtn0表示紧急停止坐标系运动。

3.步进电机的PLC控制

3.1步进电机的PLC控制原理

应用PLC对步进电机进行控制，主要作用是解除进给方向运动的限位，即解除X向和Z向的限位。还可以对进给方向进行手动的快速移动。

PLC对步进电机进行控制，主要是根据步进电机的控制原理。向步进电机驱动器发送一个脉冲信号，电机驱动器驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。PLC可以方便的设置脉冲量。

3.2步进电机的PLC控制程序

利用PLC内部提供的延时闭合时间继电器T33和T44，编制了宽度可调的脉冲发生程序，程序如图3.1；当I1.1接通时，PLC的输出点Q2.4可产生一个脉冲量。

控制步进电机除了一个冲量之外还需要一个控制旋转方向的量。步进电机的PLC控制程序如图3.2；

结论

本文研究了步进电机的控制原理，深入阐述了运动控制器对步进电机控制的实现过程，实现了PLC对步进电机的点动控制功能。

参考文献

[1]胡育辉.数控加工中心.北京：化学工业出版社，2005，2—10.