雙軸工作臺目前應(yīng)用廣泛，對其的控制是實現(xiàn)二維平面輪廓的關(guān)鍵。 雙軸工作臺中 X、Y 兩路步進電機由 PLC 控制，步進電機上的齒輪齒條機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為平臺的直線運動，通過 X、Y 的運動組合完成自動打箔軌跡。 文章詳細(xì)敘述了工作臺系統(tǒng)的組成原理、控制方案及相關(guān)硬件，并利用直線插補原理編寫 PLC 程序，實現(xiàn)了工作臺的圓弧軌跡。 通過設(shè)備空載實驗的模擬，取得了良好的效果。

1 打箔機工作臺簡介

    打箔機就是能將一定大小的金屬薄片 (如金箔)鍛打成薄如蟬翼的金屬箔的一種機器。打箔機一般由上方的鍛打機構(gòu)和下方的工作臺兩大部分組成， 其工作原理就是利用金屬薄片的延展性， 在機械鍛擊力作用下變大變薄， 鍛頭通過鍛打機構(gòu)的往復(fù)運動向下?lián)舸蚍胖迷诠ぷ髋_上的金箔包。 目前的打箔機是半自動工作的，打箔過程中需要不斷變換鍛頭的擊打位置，金箔面積也在不斷變大，這就需要工人手持金箔包，將其在工作臺面上不斷作平面移動。 這種工作方式對于操作工人有一定的危險性，時常發(fā)生鍛頭打手等安全事故，加上工作場所的震動、噪聲、粉塵等影響，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣。 為了研發(fā)一種全自動打箔機，解放人力、提高生產(chǎn)率，使打箔機完全取代工人操作，本文介紹一種自動工作臺裝置的設(shè)計， 將金箔包放置在該裝置的工作臺面上，工作臺面自動作模擬工人的平面移動，最終實現(xiàn)全自動打箔。 工作臺裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

    工作臺為三層結(jié)構(gòu)，上平臺上放置打箔包14，中平臺18和下平臺2的上都安裝有步進電機、聯(lián)軸器、軸、齒輪、齒條、平面導(dǎo)軌等，齒輪、齒條機構(gòu)能將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動， 從而帶動平臺在直線導(dǎo)軌上移動。 這兩層結(jié)構(gòu)相互垂直， 構(gòu)成了平面直角坐標(biāo)系，可分別實現(xiàn)X、Y兩個方向的直線運動，通過X、Y兩個方向的運動組合形成打箔軌跡， 從而模擬了工人打箔過程中的平面移動，實現(xiàn)自動打箔。

1.支架 2.下平臺 3.步進電機 4.電機支座 5.聯(lián)軸器
6.軸承擋圈 7.軸承 8.軸承端蓋 9.軸 10.齒輪
11.齒條 12.平鍵 13.鍛頭 14.打箔包 15.砧座
16.直線導(dǎo)軌 17.上平臺 18.中平臺
圖1 工作臺裝置圖

2 工作臺系統(tǒng)控制原理及構(gòu)成

    打箔機工作臺控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、 步進電機驅(qū)動器、 步進電機構(gòu)成。 原理框圖如圖2所示。PLC作為主控制器， 其高速脈沖輸出端口發(fā)脈沖給驅(qū)動器， 通過驅(qū)動器驅(qū)動步進電機。 系統(tǒng)采用西門子S7—200PLC， 型號為CPU222 DC/DC/DC， 該PLC采用24V直流供電，帶有兩路高速脈沖輸出，最高可以輸出20kHz的高速脈沖， 兩條高速脈沖輸出通過指令PTO和PWM，產(chǎn)生高速脈沖串和脈沖寬度可調(diào)的波形，脈沖波形分別輸入至兩個步進電機驅(qū)動器， 最終可以用來控制兩臺步進電機， 從而實現(xiàn)工作臺的自主運動，完成自動打箔。

圖2控制系統(tǒng)原理框圖

    步進電機驅(qū)動器采用超大規(guī)模集成電路組成，具有高度的抗干擾性以及快速的響應(yīng)性， 不宜出現(xiàn)死機或丟步。 在與PLC連接時， 需要將脈沖輸入信號和方向信號連接到相應(yīng)端口， 具體連接圖如圖3所示，本文采用SJ—2H042MB步進電機驅(qū)動器。

3 系統(tǒng)控制方案與實現(xiàn)

    3.1 PLC I/O

    地址分配控制系統(tǒng)中設(shè)置了啟動、 停止、 復(fù)位、 急停幾個按鈕， 在工作臺導(dǎo)軌兩端分別安裝限位開關(guān)， 脈沖輸出在Q0.0和Q0.1兩個端口， 輸入和輸出地址分配如表1所示。

表1 I/O地址分配表

    3.2 PLC外部接線圖

    圖3中由于驅(qū)動器輸入是24V， 輸入驅(qū)動器CP脈沖電平及DIR方向電平的電流過大， 必須在線路中接限流電阻， 保證輸入步進電機驅(qū)動器的電流在8—15mA。 圖 3 中接 入的是 2K 電阻 ， 輸 入電流控制在12mA。

圖3 PLC外部接線圖

    3.3 工作臺運行軌跡的直線插補算法與實現(xiàn)

    1） 將半徑為R的圓4N (N為整數(shù)) 等分， 等分的角度為360/4N， 利用直線段逼近的方法逼近圓?。?/p>

    2） 將逼近的直線段分別投影到X、 Y方向， 得到該段圓弧的X、 Y長度值；

    3） 在相同的時間T上， 分別計算X、 Y的周 期及脈沖數(shù)量；

    4） 分別將脈沖數(shù)量通過PLC的PWM控制 模塊將脈沖輸出至相應(yīng)端口， 控制X、 Y步進電機的運動，實現(xiàn)曲線的模擬。

    下面以一段圓弧為例說明程序的算法：如圖4所示， 在XY坐標(biāo)系中將半徑為R的圓等分4N份， 每一份的圓心角為α=90/N， 圓心角α所對應(yīng)的圓弧用該弦長L逼近， 該弦長L與X軸的夾角為βn， 對于圖中左下角的一段圓弧就可以用X1和Y1構(gòu)成的弦長L來逼近。如圖4所示， 可以計算出：

圖4 直線段逼近圓弧

圖5 X、 Y脈沖數(shù)計算程序

圖6圓弧第一邊脈沖數(shù)計算程序

圖7計算脈沖周期及脈沖寬度程序

圖8 PWM脈沖發(fā)送程序

4 總結(jié)

    采用 S7-200 222DC/DC/DC 型PLC的兩路PTO/PWM高速脈沖輸出 ， 兩路高速脈沖分別驅(qū)動兩臺步進電機， 通過直線插補原理算法， 實現(xiàn) 了工作 臺X、 Y兩 個 方 向 的 控 制 ， 完 成 了 圓 形 曲 線 軌跡。 通過調(diào)試， 該系統(tǒng)運行可靠， 取得了良好的效果， 基本實現(xiàn)了自動打箔的過程， 使工人脫離打箔機， 安全得到了保證。 但是目前工作臺運行的軌跡比較單一， 僅僅實現(xiàn)了直線及圓弧的運動，還要進一步編寫不同的曲線軌跡程序， 找到最優(yōu)的打箔軌跡路徑， 后續(xù)的工作還很多， 還需要通過大量的實驗去驗證。 該系統(tǒng)的運行方法和技術(shù)可以運用到機械制造、 電子、 醫(yī)藥等行業(yè)， 具有較強的實用價值。