0 引言

　　在工業生產過程中，經常遇到大行程、高精度的運動控制要求。定位控制系統的主要任務是精確控制刀具或物料的移動完成對各個定位點的加工。如果采用全功能數控系統來實現定位控制功能，這種系統雖然功能完善，但其價格昂貴。而且許多功能對于中低端機床的定位控制是多余的。目前中國國內廣泛使用的是利用PLC或專用控制器控制步進電機或伺服電機實現定位控制。伺服電機精度高，成本也高。步進電機伺服系統一般都為開環控制，當啟動頻率過高或負載轉矩過大時，易出現丟步或堵轉的現象；在停止時也會因為轉速過高出現過沖的現象，因此為保證其控制精度，應處理好步進電機升、降速問題。針對步進電機控制中丟步或失控的情況，采用給步進電機安裝編碼器，解決丟步或失控問題，取得了一定的效果；通過優化步進電機升降速曲線來改善步進電機的動態性能；設計具有失步補償的步進電機驅動器；采用光柵尺，實現了較高的精度，但成本較高，主要應用于較短距離的精密定位控制。當進行很大行程定位時，無法消除傳動機構帶來的固有誤差。

　　通過上述的分析，提出采用帶型磁柵尺位移傳感器，將工件位移轉換成高速脈沖信號，實時反饋給PLC，構成位置閉環步進伺服系統。通過觸摸屏設置定位長度和操作參數，實現物料的單段定位和多段連續精確定位。

1 利用高速脈沖指令實現位置閉環伺服控制原理

　　帶型磁柵尺是在帶型非導磁材料上涂上一層磁膠，在這條磁性帶上記錄N極和S極相間變化的磁極，采用拾磁磁頭讀取記錄在磁尺上的磁信號，并通過檢測電路將信號送入控制系統的位置環，實現對物料位移的精確測量，文獻中對磁柵尺的工作原理及應用進行了詳細的介紹。文獻中，采用增量編碼器，結合使用高速脈沖計數器，采用觸發中斷的方式，實現了對步進電機軸的精確定位，但仍然不能消除同步帶等傳送機構產生的誤差。而采用帶型磁柵尺，將送料小車實際運行的距離實時計數，通過與設定值比較，計數相等時觸發中斷，控制步進電機停止運行，這種方式實現定位可以消除傳動部分產生的固有誤差，能夠達到較高的精度。

　　基于西門子S7-200PLC控制同步齒形帶運動定位系統框圖如圖1所示。PLC通過PTO高速脈沖指令發出高速脈沖給步進電機驅動器，驅動步進電機運行。步進電機同步輪帶動齒形帶，齒形帶帶動切割鋸水平運動，切割鋸的移動距離通過磁柵尺產生AB相正交高速脈沖。輸入到PLC的高速脈沖計數器。計數器的值與設定值比較，當送料臺移動與距離即型材待鋸切的長度與觸摸屏的設置值相等時．觸發中斷，使步進電機停止運行。達到定位的目的。

圖1 閉環步進電機伺服系統構成

2 位置閉環步進電機伺服控制系統在塑鋼型材鋸切中心中的應用

　　在研制塑鋼型材鋸切中心控制系統過程中，為了使送料機構(x軸)能夠將長達6000mm的塑鋼型材原料精確的定位到鋸切位置，并能夠實現在多點定位，提出了位置閉環步進電機伺服控制系統。

　　2.1 位置閉環步進伺服系統設計

　　塑鋼型材的鋸切過程中。需要精確定位的有x軸：送料軸和z軸：刀具軸?？刂破鬟x用兩門子S7-200 PLC系列CPU 224XP。這款CPU集成了兩路高速脈沖輸出點(Q0.0和Q0.1)，最高輸出頻率為100KHz，用它來給步進電機驅動器提供高速脈沖，完全滿足頻率要求。CPU 224XP集成了多路高速脈沖計數單元可以用來接收磁柵尺反饋回來的位移脈沖信號。由于X軸與Z軸控制方式類似，下面就以X軸為例說明系統的實現。在x軸方向，磁柵尺直接固定在數控臺上，磁頭分別安裝在送料臺上，可隨導軌移動。步進電機采用兩相混合式步進電機，并配有128細分的驅動器。PLC可根據觸摸屏設定的長度和段數，自動的向步進電機驅動器發送高速脈沖，脈沖包絡曲線如圖2所示。步進驅動器將PLC的高速脈沖細分后，驅動步進電機轉動，并通過同步輪、同步帶帶動送料臺。當送料臺推動待加工塑鋼型材沿x軸移動時，磁頭對型材的位移進行計數，并將計數脈沖傳送至PLC的脈沖捕捉端子。通過PLC內部計數器和預算可以精確計算出型材移動的距離。磁柵尺磁頭根據檢測送料臺的位移，產生AB兩路高速脈沖信號，傳送給PLC的高速脈沖計數單元，從高速計數器讀取的值與程序設定的脈沖值進行比較，當計數值與設定值對應的脈沖數相等時，觸發中斷，使電機停止運動，實現位置閉環控制。

圖2多段定位包絡裹

　　西門子S7—200 CPU 224XP支持六個高速計數器：HSC0到HSC5。每個高速計數器可以有12種模式可供選擇。本方案中x軸磁柵尺信號輸入選用HSC0，接線方式為：A接10．0，B接10．2，Z軸磁柵尺信號輸入選用HSC4，接線方式為：A接10．3，B接10．5。工作模式都選用模式10，即計數器設置為A／B相正交計數器，無啟動輸入。使用復位輸入。計數方式采用4倍速計數模式，實現正反方向計數。

　　2.2 定位控制編程

　　西門子PLC軟件編程環境Microwin STEP7 V4．0提供了脈沖編程模塊PTO。利用PTO多段操作設計包絡表，如圖2所示。PLC高速脈沖從800Hz啟動，正常運行頻率為8kHz，當距離定位點較短距離時，減速至800Hz慢速運行。高速計數器的設定值與磁柵尺實際測量值相等時即當實際長度與設定長度相等時，產生中斷，使步進電機停止運動，使系統按照磁柵尺實際測鼉值實現定位。加工過程中會出現多點定位控制。在每個定位點均采用中斷產生定位的方法，通過編制單段定位控制子程序。并連續調用單段定位子程序的方法，實現每次加工過程中的多段定位控制。系統軟件流程圖如圖3所示。

圖3定位系統流程圖

　　2.3 系統回零的實現

　　由于每次加工塑鋼型材時，第一刀切割都是在型材的端部開始的，所以直接采用第一刀作為系統的零點，因此可以將數控系統必須回零點的步驟省略?；卦c采用行程開關就可以達到控制要求，為了實現高速回零，同樣采用上述定位控制中的方法，將之前送料小車走過的所有行程作為返回距離，控制步進電機升降速，實現高速回零。如果需要精確回零，可采用文獻H1中提出的方法。在步進電機軸上安裝增量編碼器，利用增量編碼器每轉一周發出的z相脈沖即原點信號脈沖進行回零操作。

　　2.4 PLC控制程序

3 系統精度分析

　　基于磁柵尺的步進電機位置伺服控制系統，系統精度主要決定于步進驅動系統、同步帶傳動系統和磁柵尺測量系統。步進電機步距角為1．8度，步進電機驅動器選用16細分(最大128細分)，即3200P／r，步進電機每旋轉一周帶動同步帶為32mm，即步進驅動系統精度0.1 mm；磁柵尺的分辨率為0.05mm，所以當步進電機驅動設置為16細分時，定位精度主要取決于磁柵尺位移測量系統。實際加工工程中加工精度為0.06mm，符合塑鋼型材加工生產的工藝要求。

4 結束語

　　采用磁柵尺和PLC基本指令實現了送料臺單點和多點定位控制系統，雖然不是真正意義上的閉環反饋系統，但能夠實現較高的定位精度和運行速度，使得行程較大的定位控制的技術門檻和研制成本大大降低，在很多場合可以替代原有昂貴的數控系統。該設計成功應用于塑鋼型材鋸切中心控制系統的開發中，取得滿意的定位精度，具有很好的推廣價值。