双轴工作台目前应用广泛，对其的控制是实现二维平面轮廓的关键。 双轴工作台中 X、Y 两路步进电机由 PLC 控制，步进电机上的齿轮齿条机构将旋转运动转换为平台的直线运动，通过 X、Y 的运动组合完成自动打箔轨迹。 文章详细叙述了工作台系统的组成原理、控制方案及相关硬件，并利用直线插补原理编写 PLC 程序，实现了工作台的圆弧轨迹。 通过设备空载实验的模拟，取得了良好的效果。
1 打箔机工作台简介
打箔机就是能将一定大小的金属薄片 (如金箔)锻打成薄如蝉翼的金属箔的一种机器。打箔机一般由上方的锻打机构和下方的工作台两大部分组成， 其工作原理就是利用金属薄片的延展性， 在机械锻击力作用下变大变薄， 锻头通过锻打机构的往复运动向下击打放置在工作台上的金箔包。 目前的打箔机是半自动工作的，打箔过程中需要不断变换锻头的击打位置，金箔面积也在不断变大，这就需要工人手持金箔包，将其在工作台面上不断作平面移动。 这种工作方式对于操作工人有一定的危险性，时常发生锻头打手等安全事故，加上工作场所的震动、噪声、粉尘等影响，工作环境相当恶劣。 为了研发一种全自动打箔机，解放人力、提高生产率，使打箔机完全取代工人操作，本文介绍一种自动工作台装置的设计， 将金箔包放置在该装置的工作台面上，工作台面自动作模拟工人的平面移动，最终实现全自动打箔。 工作台装置结构见图1。
工作台为三层结构，上平台上放置打箔包14，中平台18和下平台2的上都安装有步进电机、联轴器、轴、齿轮、齿条、平面导轨等，齿轮、齿条机构能将步进电机的旋转运动转换为直线运动， 从而带动平台在直线导轨上移动。 这两层结构相互垂直， 构成了平面直角坐标系，可分别实现X、Y两个方向的直线运动，通过X、Y两个方向的运动组合形成打箔轨迹， 从而模拟了工人打箔过程中的平面移动，实现自动打箔。
1.支架 2.下平台 3.步进电机 4.电机支座 5.联轴器
6.轴承挡圈 7.轴承 8.轴承端盖 9.轴 10.齿轮
11.齿条 12.平键 13.锻头 14.打箔包 15.砧座
16.直线导轨 17.上平台 18.中平台
图1 工作台装置图
2 工作台系统控制原理及构成
打箔机工作台控制系统主要由PLC控制器、 步进电机驱动器、 步进电机构成。 原理框图如图2所示。PLC作为主控制器， 其高速脉冲输出端口发脉冲给驱动器， 通过驱动器驱动步进电机。 系统采用西门子S7—200PLC， 型号为CPU222 DC/DC/DC， 该PLC采用24V直流供电，带有两路高速脉冲输出，最高可以输出20kHz的高速脉冲， 两条高速脉冲输出通过指令PTO和PWM，产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形，脉冲波形分别输入至两个步进电机驱动器， 最终可以用来控制两台步进电机， 从而实现工作台的自主运动，完成自动打箔。
图2控制系统原理框图
步进电机驱动器采用超大规模集成电路组成，具有高度的抗干扰性以及快速的响应性， 不宜出现死机或丢步。 在与PLC连接时， 需要将脉冲输入信号和方向信号连接到相应端口， 具体连接图如图3所示，本文采用SJ—2H042MB步进电机驱动器。
3 系统控制方案与实现
3.1 PLC I/O
地址分配控制系统中设置了启动、 停止、 复位、 急停几个按钮， 在工作台导轨两端分别安装限位开关， 脉冲输出在Q0.0和Q0.1两个端口， 输入和输出地址分配如表1所示。
表1 I/O地址分配表
3.2 PLC外部接线图
图3中由于驱动器输入是24V， 输入驱动器CP脉冲电平及DIR方向电平的电流过大， 必须在线路中接限流电阻， 保证输入步进电机驱动器的电流在8—15mA。 图 3 中接 入的是 2K 电阻 ， 输 入电流控制在12mA。
图3 PLC外部接线图
3.3 工作台运行轨迹的直线插补算法与实现
1） 将半径为R的圆4N (N为整数) 等分， 等分的角度为360/4N， 利用直线段逼近的方法逼近圆弧；
2） 将逼近的直线段分别投影到X、 Y方向， 得到该段圆弧的X、 Y长度值；
3） 在相同的时间T上， 分别计算X、 Y的周 期及脉冲数量；
4） 分别将脉冲数量通过PLC的PWM控制 模块将脉冲输出至相应端口， 控制X、 Y步进电机的运动，实现曲线的模拟。
下面以一段圆弧为例说明程序的算法：如图4所示， 在XY坐标系中将半径为R的圆等分4N份， 每一份的圆心角为α=90/N， 圆心角α所对应的圆弧用该弦长L逼近， 该弦长L与X轴的夹角为βn， 对于图中左下角的一段圆弧就可以用X1和Y1构成的弦长L来逼近。如图4所示， 可以计算出：
图4 直线段逼近圆弧
图5 X、 Y脉冲数计算程序
图6圆弧第一边脉冲数计算程序
图7计算脉冲周期及脉冲宽度程序
图8 PWM脉冲发送程序
4 总结
采用 S7-200 222DC/DC/DC 型PLC的两路PTO/PWM高速脉冲输出 ， 两路高速脉冲分别驱动两台步进电机， 通过直线插补原理算法， 实现 了工作 台X、 Y两 个 方 向 的 控 制 ， 完 成 了 圆 形 曲 线 轨迹。 通过调试， 该系统运行可靠， 取得了良好的效果， 基本实现了自动打箔的过程， 使工人脱离打箔机， 安全得到了保证。 但是目前工作台运行的轨迹比较单一， 仅仅实现了直线及圆弧的运动，还要进一步编写不同的曲线轨迹程序， 找到最优的打箔轨迹路径， 后续的工作还很多， 还需要通过大量的实验去验证。 该系统的运行方法和技术可以运用到机械制造、 电子、 医药等行业， 具有较强的实用价值。
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本文标题：基于PLC的双轴工作台控制与实现
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