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制器（簡稱PLC）以其通用性強(qiáng)、可靠性高、指令系統(tǒng)簡單、編程簡便易學(xué)、易

于掌握、體積小、維修工作少、現(xiàn)場接口安裝方便等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于

工業(yè)自動控制中。

特別是在組合機(jī)床自動生產(chǎn)線的控制及CNC 機(jī)床的S、T、M 功能控制更顯示

出其卓越的性能。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)應(yīng)用于組合機(jī)床自動生產(chǎn)線

上的數(shù)控滑臺控制，可省去該單元的數(shù)控系統(tǒng)使該單元的控制系統(tǒng)成本降低

70~90%，甚至只占用自動線控制單元PLC 的3～5 個I/O 接口及<1KB 的內(nèi)存。特

別是大型自動線中可以使控制系統(tǒng)的成本顯著下降。

2. PLC 控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu)

一般組合機(jī)床自動線中的數(shù)控滑臺采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)。采

用PLC 控制的數(shù)控滑臺由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步

進(jìn)電機(jī)和伺服傳動機(jī)構(gòu)等部分組成，伺服傳動機(jī)構(gòu)中的齒輪Z1、Z2 應(yīng)該采取消

隙措施，避免產(chǎn)生反向死區(qū)或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應(yīng)該根據(jù)該單元

的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。采用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、

系統(tǒng)剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優(yōu)點，但成本較高且不能自鎖。

3. 數(shù)控滑臺的PLC 控制方法

數(shù)控滑臺的控制因素主要有三個：

3.1 行程控制

一般液壓滑臺和機(jī)械滑臺的行程控制是利用位置或壓力傳感器（行程開關(guān)/

死擋鐵）來實現(xiàn)；而數(shù)控滑臺的行程則采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)

可知，滑臺的行程正比于步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角即

可。由步進(jìn)電機(jī)的工作原理和特性可知步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈

沖個數(shù)；因此可以根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的位移量確定PLC 輸出的脈沖個數(shù)：

n= DL/d （1）

式中 DL——伺服機(jī)構(gòu)的位移量（mm）

d ——伺服機(jī)構(gòu)的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）

3.2 進(jìn)給速度控制

伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入

的脈沖頻率;因此可以根據(jù)該工序要求的進(jìn)給速度,確定其PLC 輸出的脈沖頻率:

f=Vf/60d (Hz) (2)

式中 Vf——伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度(mm/min)

3.3 進(jìn)給方向控制

進(jìn)給方向控制即步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向可以通過改變步進(jìn)

電機(jī)各繞組的通電順序來改變其轉(zhuǎn)向;如三相步進(jìn)電機(jī)通電順序為

A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電

時步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC 輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的

輸出順序來實現(xiàn)，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序

實現(xiàn)。

4. PLC 的軟件控制邏輯

由滑臺的PLC 控制方法可知，應(yīng)使步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受

到相應(yīng)的控制。因此在控制軟件上設(shè)置一個脈沖總數(shù)和脈沖頻率可控的脈沖信號

發(fā)生器；對于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC 中的定時器構(gòu)成，如圖2 所示。

脈沖頻率可以通過定時器的定時常數(shù)控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置一

脈沖計數(shù)器C10。當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，計數(shù)器C10 動作切斷脈沖發(fā)生器回路，

使其停止工作。伺服機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)無脈沖輸入時便停止運轉(zhuǎn)，伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)定

位。當(dāng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移速度要求較高時，可以用PLC 中的高速脈沖發(fā)生器。

不同的PLC 其高速脈沖的頻率可達(dá)4000~6000Hz。對于自動線上的一般伺服機(jī)構(gòu)，

其速度可以得到充分滿足。

5. 伺服控制、驅(qū)動及接口

5.1 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成

步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)由可編程控制器、環(huán)行脈沖分配器和步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)

動器組成，控制系統(tǒng)中PLC 用來產(chǎn)生控制脈沖；通過PLC 編程輸出一定數(shù)量的方

波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量；同時通過編程控制脈

沖頻率——既伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度；環(huán)行脈沖分配器將可編程控制器輸出的控制

脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC 控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟

件環(huán)行分配器，也可以采用如圖1 所示的硬件環(huán)行分配器。采用軟環(huán)占用的PLC

資源較多，特別是步進(jìn)電機(jī)繞組相數(shù)M>4 時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以充分考慮。

采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用PLC

的I/O 口點數(shù)，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動器將PLC

輸出的控制脈沖放大到幾十~上百伏特、幾安~十幾安的驅(qū)動能力。一般PLC 的輸

出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾

~幾十伏特、幾十~幾百毫安。但對于功率步進(jìn)電機(jī)則要求幾十~上百伏特、幾安~

十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進(jìn)行放大。

5.2 可編程控制器的接口

如伺服機(jī)構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用PLC 的I/O 口點數(shù)少于5 點，一

般僅為3 點。其中I 口占用一點，作為啟動控制信號；O 口占用2 點，一點作為

PLC 的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進(jìn)電

機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號，接至硬環(huán)的相序分配控制端，如圖3 所示；伺服系統(tǒng)采用軟件

環(huán)行分配器時，

6. 應(yīng)用實例與結(jié)論

將PLC 控制的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)用于某大型生產(chǎn)線的數(shù)控滑臺，每個滑臺僅占

用4 個I/O 接口，節(jié)省了CNC 控制系統(tǒng)，其脈沖當(dāng)量為0.01～0.05mm,進(jìn)給速度

為Vf=3~15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求