雙軸工作臺(tái)目前應(yīng)用廣泛，對(duì)其的控制是實(shí)現(xiàn)二維平面輪廓的關(guān)鍵。 雙軸工作臺(tái)中 X、Y 兩路步進(jìn)電機(jī)由 PLC 控制，步進(jìn)電機(jī)上的齒輪齒條機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為平臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò) X、Y 的運(yùn)動(dòng)組合完成自動(dòng)打箔軌跡。 文章詳細(xì)敘述了工作臺(tái)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(bǔ)原理編寫 PLC 程序，實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的圓弧軌跡。 通過(guò)設(shè)備空載實(shí)驗(yàn)的模擬，取得了良好的效果。

1 打箔機(jī)工作臺(tái)簡(jiǎn)介

    打箔機(jī)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(jī)器。打箔機(jī)一般由上方的鍛打機(jī)構(gòu)和下方的工作臺(tái)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(jī)械鍛擊力作用下變大變薄， 鍛頭通過(guò)鍛打機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)向下?lián)舸蚍胖迷诠ぷ髋_(tái)上的金箔包。 目前的打箔機(jī)是半自動(dòng)工作的，打箔過(guò)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(tái)面上不斷作平面移動(dòng)。 這種工作方式對(duì)于操作工人有一定的危險(xiǎn)性，時(shí)常發(fā)生鍛頭打手等安全事故，加上工作場(chǎng)所的震動(dòng)、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(dòng)打箔機(jī)，解放人力、提高生產(chǎn)率，使打箔機(jī)完全取代工人操作，本文介紹一種自動(dòng)工作臺(tái)裝置的設(shè)計(jì)， 將金箔包放置在該裝置的工作臺(tái)面上，工作臺(tái)面自動(dòng)作模擬工人的平面移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打箔。 工作臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

    工作臺(tái)為三層結(jié)構(gòu)，上平臺(tái)上放置打箔包14，中平臺(tái)18和下平臺(tái)2的上都安裝有步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、軸、齒輪、齒條、平面導(dǎo)軌等，齒輪、齒條機(jī)構(gòu)能將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)平臺(tái)在直線導(dǎo)軌上移動(dòng)。 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(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組合形成打箔軌跡， 從而模擬了工人打箔過(guò)程中的平面移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打箔。

1.支架 2.下平臺(tái) 3.步進(jìn)電機(jī) 4.電機(jī)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(tái) 18.中平臺(tái)
圖1 工作臺(tái)裝置圖

2 工作臺(tái)系統(tǒng)控制原理及構(gòu)成

    打箔機(jī)工作臺(tái)控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、 步進(jìn)電機(jī)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(dòng)器， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。 系統(tǒng)采用西門子S7—200PLC， 型號(hào)為CPU222 DC/DC/DC， 該P(yáng)LC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(guò)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(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器， 最終可以用來(lái)控制兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)， 從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的自主運(yùn)動(dòng)，完成自動(dòng)打箔。

圖2控制系統(tǒng)原理框圖

    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)或丟步。 在與PLC連接時(shí)， 需要將脈沖輸入信號(hào)和方向信號(hào)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

3 系統(tǒng)控制方案與實(shí)現(xiàn)

    3.1 PLC I/O

    地址分配控制系統(tǒng)中設(shè)置了啟動(dòng)、 停止、 復(fù)位、 急停幾個(gè)按鈕， 在工作臺(tái)導(dǎo)軌兩端分別安裝限位開(kāi)關(guān)， 脈沖輸出在Q0.0和Q0.1兩個(gè)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(dòng)器輸入是24V， 輸入驅(qū)動(dòng)器CP脈沖電平及DIR方向電平的電流過(guò)大， 必須在線路中接限流電阻， 保證輸入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tái)運(yùn)行軌跡的直線插補(bǔ)算法與實(shí)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弧；

    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(zhǎng)度值；

    3） 在相同的時(shí)間T上， 分別計(jì)算X、 Y的周 期及脈沖數(shù)量；

    4） 分別將脈沖數(shù)量通過(guò)PLC的PWM控制 模塊將脈沖輸出至相應(yīng)端口， 控制X、 Y步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲線的模擬。

    下面以一段圓弧為例說(shuō)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(duì)應(yīng)的圓弧用該弦長(zhǎng)L逼近， 該弦長(zhǎng)L與X軸的夾角為βn， 對(duì)于圖中左下角的一段圓弧就可以用X1和Y1構(gòu)成的弦長(zhǎng)L來(lái)逼近。如圖4所示， 可以計(jì)算出：

圖4 直線段逼近圓弧

圖5 X、 Y脈沖數(shù)計(jì)算程序

圖6圓弧第一邊脈沖數(shù)計(jì)算程序

圖7計(jì)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(dòng)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)， 通過(guò)直線插補(bǔ)原理算法， 實(shí)現(xiàn) 了工作 臺(tái)X、 Y兩 個(gè) 方 向 的 控 制 ， 完 成 了 圓 形 曲 線 軌跡。 通過(guò)調(diào)試， 該系統(tǒng)運(yùn)行可靠， 取得了良好的效果， 基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打箔的過(guò)程， 使工人脫離打箔機(jī)， 安全得到了保證。 但是目前工作臺(tái)運(yùn)行的軌跡比較單一， 僅僅實(shí)現(xiàn)了直線及圓弧的運(yùn)動(dòng)，還要進(jìn)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。 該系統(tǒng)的運(yùn)行方法和技術(shù)可以運(yùn)用到機(jī)械制造、 電子、 醫(yī)藥等行業(yè)， 具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。