PLC雕刻机机床控制系统设计+接线图+流程图(5)
步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度。步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数（即脉冲频率）成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序，便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛应用。步进电机分为反应式、永磁式和混合式等。
相比之下伺服电机比步进电机的拥有更好的控制精度，在低频工作时具有更好的工作性能，不会出现低频振荡现象。两者在矩频特性上也不相同，步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。而伺服电机为恒力矩输出。在过载能力上也有不同，步进电机一般不具备过载能力，而伺服电机具有较强的过载能力。两者的运行性能也不同，步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高会出现过冲的现象。而交流伺服驱动为闭环系统，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的过冲或丢步现象，控制性能更为可靠。两者在速度响应性能方面也不相同，步进电机从静止加速到工作转速，需要200-400毫秒。而交流伺服电机仅需要几秒，可用于快速启动要求的场合。
本设计在驱动方式上考虑到经济与控制精度上的因素，主轴的驱动方式为普通变频器驱动交流电机，而X、Y、Z、三轴的驱动方式为步进驱动器控制步进电机。
2.2 控制方案选择
根据应用环境，经济上的原因和控制精度上的要求，数控雕刻系统中的控制方案也有许多不同的选择，其中DSP、电路板、数控系统嵌入计算机控制及PLC控制在日常应用中应用相对广泛。
2.2.1 DSP控制
DSP的优点为成本低，低功耗，具有高性能的处理能力，还具有强大的外部通信接口（SCI，SPI,CAN）便于构成大的控制系统。DSP通过读取雕刻加工程序（即刀具的加工路径文件），通过计算，将加工程序中的坐标值、位移矢量、速度矢量、加工类型等控制信息转换成X、Y、Z（或其他）轴方向信号和脉冲信号，并按照一定的脉冲序列将其输出至步进电机控制器，以实现X、Y、Z（或其他）轴电机的转动。其控制流程图如图2.1所示。
图2.1 DSP控制流程图
2.2.2 电路板控制
电路板雕刻机的机械结构与传统的雕刻机的机械结构类似，主要是由X轴和Y轴两个方向的联动控制工作台及Z轴方向的位置调整控制刀具的位置构成两轴半的运动系统。其中，Y轴采用步进电机作为驱动元件，通过弹性联轴器连接丝杠螺母机构，带动与之相连的托板，实现Y轴的运动控制；X轴也采用步进电机作为驱动元件，通过弹性联轴器连接丝杠螺母机构，带动与之相连的托板，实现对安装在托板上的Z轴部件在X轴方向的运动控制，类似于控制工作台在x轴方向的运动，从而实现X轴与Y轴的联动来控制工作台的运动。Z轴采用伺服电机作为驱动元件，通过弹性联轴器连接丝杠螺母机构，带动与之相连的托板，实现对安装在托板上的主轴电机在Z轴方向的运动控制。主轴电机采用变频器来驱动控制，以得到不同的主轴转速。
2.2.3 数控系统嵌入计算机控制
雕刻机数控系统采用“NC嵌入PC”的硬件结构，以工业计算机IPC为上位机，以GE-400 SV运动控制器为核心的NC控制系统作为下位机。两者通过PCI总线完成数据相互交换，前者主要完成CAD/CAM集成智能故障诊断、网络通讯等人机交互功能。后者承担如插补、进给伺服、代码编译、误差补偿等强实时性任务，以及电主轴控制、机床开关量的控制、反馈信号的处理等底层硬件控制功能。伺服系统采用速度控制模式，并通过传感器采集机床位置反馈信号，实时进行误差跟随补偿以确保加工精度。