在汽車、拖拉機零部件的許多加工領(lǐng)域需要對各類加工工件的端面或圓周面進行均勻分度。傳統(tǒng)的分度是采用定位卡盤和定位銷的機械構(gòu)件進行分度定位，對不同型號和不同要求的工件進行加工時。由于所需分度位數(shù)不同，要求更換不同的卡盤。需準(zhǔn)備多套與之配套的定位卡盤。隨著定位卡盤和定位銷使用次數(shù)的不斷增加，存在著機械磨損，從而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確均勻分度，加工精度變差。我們設(shè)計研制的智能自動分度控制系統(tǒng)，是基于可編程序控制器(PLC)，利用其功能指令中脈沖輸出指令控制步進電動機，通過軟件編程技巧消除均勻分度的累積誤差，從而實現(xiàn)智能、隨機、精密、自動分度的定位控制。該智能自動分度控制系統(tǒng)，根據(jù)加工工件均勻分度所要求的分度值不同，即可準(zhǔn)確實現(xiàn)各種工件端面隨機均勻分度，亦可準(zhǔn)確實現(xiàn)其圓周面上隨機均勻分度。此智能自動分度控制系統(tǒng)具有以下特點：

　　1)針對不同加工工件的需要，通過兩位撥碼開關(guān)輸入分度位數(shù)，范圍可以從2到99。

　　2)PLC根據(jù)輸入的分度位數(shù)值，通過精確運算處理，輸出一定的脈沖量，從而控制步進電動機準(zhǔn)確定位。

　　由于選取步進電動機的步距角為0.9°，步進電動機不加細分控制時，控制精度可達到0.9°/N；步進電動機加入細分控制時，理論控制精度最高町達的0.9°／N／M(其N為傳動裝置的傳動比，肘為細分值)。

　　3)對在分度運算中存在余數(shù)造成的累積誤差，進行軟件編程實現(xiàn)消除處理，確保均勻分度的精確控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　輸入點：X1：原點；X2：自動；X3：手動；X4：啟動；x5：分度正反轉(zhuǎn)；x6：分度軸鎖緊與松開；X20，x2l，X趨和X23：8421BCD撥碼開關(guān)數(shù)字輸入。

　　輸出點：Y0：驅(qū)動步進電動機；Y1：分度正反向；Y2：分度軸鎖緊；Y4和Y5：8421 BCD撥碼開關(guān)輸入控制。

　　根據(jù)分度要求及一般機械加工裝置所需的輸入輸出點數(shù)，主控制單元采用日本三菱公司的FXlr40MT型PLC。該PLC體積小、功能強、性價比高，且具有定佗控制及脈沖輸出功能。其系統(tǒng)輸入、輸出點和撥碼開關(guān)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。該智能自動分度控制系統(tǒng)是針對各種類型加工工件的精密分度，分度位數(shù)根據(jù)要求可由2至99個之間隨機選取，利用兩位8421 BCD撥碼開關(guān)實現(xiàn)加工分度位數(shù)的輸入。撥碼開關(guān)輸入控制由PLC輸入點x20。x21，x22和x23，及輸出點Y4和Y5協(xié)同實現(xiàn)。

圖1控制系統(tǒng)原理圖

　　在實際應(yīng)用的多軸數(shù)控系統(tǒng)中，通常的定位控制是采用PLC加定位模塊實現(xiàn)。但當(dāng)進行定位控制的定位軸較少時，可直接利用PLC本身的高速脈沖輸出口控制驅(qū)動步進電動機，這樣控制方法簡單方便，又可降低控制成本。

　　FxlN-40MT型PIE，具備簡易的定位控制及脈沖輸出功能。其輸出點Y0具有脈沖輸出功能，輸出脈沖頻率最高可達100 kHz。選取的步進電動機驅(qū)動器SH2046M是采用高速單片機技術(shù)開發(fā)的細分驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用商頻脈寬調(diào)制技術(shù)，具有噪音低、效率高、電壓范圍寬、設(shè)置靈活、運行平穩(wěn)等優(yōu)點。步進電動機采用86BYG402永磁感應(yīng)式步進電動機，其步距角為0.9°。完全可以滿足精確分度的要求。

　　如圖1所示，PLC的輸出端Yo(脈沖輸出)控制驅(qū)動步進電動機實現(xiàn)均勻分度；PLC的輸出端Y。控制步進電動機分度的旋轉(zhuǎn)方向。PLC脈沖輸出端Y0、輸出端Yl的公共端COM0與PLC的24 V地COM相連。步進電動機驅(qū)動器的輸入信號公共端OPTP與PLC的+24 V電源相連。PLC的脈沖輸出端Y0外接1.8 kfl的限流電阻連接至步進電動機驅(qū)動器的脈沖輸入端CP，用于驅(qū)動步進電動機旋轉(zhuǎn)分度。PLC的輸出點Y1。外接1.8 kΩ的限流電阻連接至步進電動機驅(qū)動器的方向輸入端DIR，用于控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向。以此來實現(xiàn)智能、自動精確分度的硬件連接。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 撥碼開關(guān)控制實現(xiàn)

　　數(shù)據(jù)撥碼開關(guān)是將十進制自動轉(zhuǎn)換為8421BCD碼的編碼電路模塊。按動“+”或“-”按鈕，自動實現(xiàn)十進制數(shù)加1或減1，同時在相應(yīng)的DCBA輸出端產(chǎn)生8421BCD碼。

　　在此智能自動分度控制系統(tǒng)中，采用兩位撥碼開關(guān)，根據(jù)工件分度位數(shù)，在2到99之間由用戶選擇直接輸入。軟件編程運用FX1N系列PLC的數(shù)字開關(guān)指令FNC72。直接讀出撥碼開關(guān)所設(shè)置的數(shù)據(jù)。其指令示意圖如圖2所示。

圖2數(shù)字開關(guān)指令

　　3.2 PLC脈沖輸出控制驅(qū)動步進電動機的實現(xiàn)

　　FX1N系列PLC的功能指令FNC57和FNC59，分別為脈沖輸出PLSY指令和可調(diào)脈沖輸出PLSR指令。指令示意如圖3、圖4所示。

　　由圖3可知，運行PLSY指令可在PLC的輸出端Y0輸出設(shè)定數(shù)量和頻率的脈沖。操作數(shù)[S1·]用來設(shè)定脈沖頻率。操作數(shù)[S2·]用來設(shè)定輸出的脈沖個數(shù)。若設(shè)定脈沖數(shù)為0。則持續(xù)產(chǎn)生脈沖，控制步進電動機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。操作數(shù)[D·]用來設(shè)定脈沖輸出元件，只可使用可編程序控制器的Y0或Y1。圖3中所示的指令是當(dāng)可編程序控制器PLC的輸入點X4有ON時，輸出端Yo輸出頻率l 000 Hz的脈沖，輸出脈沖的個數(shù)由通用數(shù)據(jù)寄存器Do中的數(shù)據(jù)確定。當(dāng)要求步進電動機具有較高轉(zhuǎn)速時，需采用具有加減速功能的脈沖輸出指令PLSR來實現(xiàn)。加減速功能的脈沖輸出指令PLSR如圖4所示，其操作數(shù)[S1·]用來設(shè)定最高頻率；[S2·]用來設(shè)定輸出的脈沖個數(shù)；而操作數(shù)[S3·]是用于設(shè)定加減速時間(50—5 000m)；操作數(shù)[D·]設(shè)定脈沖輸出元件，對此系列可編程序控制器只能使用輸出端Y0或Y1。

圖5分廑程序漉程圈

　　3.3 分度控制軟件設(shè)計

　　實現(xiàn)智能自動分度系統(tǒng)的工作過程是：從原點開始。完成1個定位位的加工。使軸鎖緊電磁閥復(fù)位松開，從而驅(qū)動步進電動機帶動工件軸旋轉(zhuǎn)一個角度，實現(xiàn)下一分度定位；之后軸鎖緊電磁閥置位鎖緊，保持此分度定位固定不動，以便進行加工。根據(jù)設(shè)定撥碼開關(guān)輸入的分度數(shù)，依次在圓形工件的端面或圓周面完成要求均勻分布的分度位。軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)工作過程控制要求而設(shè)計，主要通過PLC實現(xiàn)定位控制及輸出脈沖驅(qū)動步進電動機分度，即對輸出口Y0的脈沖輸出功能進行編程實現(xiàn)。

　　由于選用的步進電動機的步距角為0.9°，即可編程序控制器PLC的脈沖輸出口Yo每輸出一個脈沖數(shù)，步進電動機輸出軸就轉(zhuǎn)動0.9°，當(dāng)傳動裝置的傳動比為N：1。其驅(qū)動工件轉(zhuǎn)動0.9°／N角度。工件轉(zhuǎn)動一周即360。時k需要輸出的脈沖總數(shù)為360°÷0.9°／N。若需均勻分度位數(shù)為rt。則PLC的輸出口Y。需輸出0.9°／N÷n個脈沖，驅(qū)動控制步進電動機實現(xiàn)一次分度。由于在n的取值范圍中，具有使表達式0.9°／N÷n存在余數(shù)的值。如果不對余數(shù)進行科學(xué)處理，那么在最后一個分度位和第一個分度位之間必然產(chǎn)生累積誤差，從而影響分度精度。因此在輸出分度脈沖的編程設(shè)計中，每進行一次分度．將余數(shù)累加一次；在下一個分度之前，先將累加值與撥碼開關(guān)設(shè)定值n進行比較，當(dāng)累加值大于11,時。將累加值減去n，同時將輸出脈數(shù)加一后再進行輸出分度；若累加值小于n值，Y0輸出原有脈沖個數(shù)進行分度輸出，同時仍將余數(shù)累加一次。以此使均勻分度中任意相鄰兩分度位的誤差小于步進電動機的一個步距角。在加工工件上分度誤差不會超過0.9°／N度。其分度程序流程圖如圖5所示。

　　PLC通用數(shù)據(jù)寄存器D2中，讀入撥碼開關(guān)設(shè)定分度位數(shù)n；將整體需輸出的脈沖總數(shù)360°÷0.9°／N值，存人通用數(shù)據(jù)寄存器D0中；利用PIE的功能指令FNC23(除法指令DIV)進行除法運算。如圖6所示，其商送到通用數(shù)據(jù)寄存器D4，余數(shù)送到通用數(shù)據(jù)寄存器D5。余數(shù)的累加單元使用通用數(shù)據(jù)寄存器D6，它在開始分度之前處于清零的狀態(tài)。

圖6除法指令

4 結(jié)束語

　　此智能自動分度控制系統(tǒng)，可用于加工汽車、拖拉機等零部件需均勻分度的機床上。以此構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)已用于精密鏜孔及感應(yīng)加熱中大齒輪的單齒淬火，通過對現(xiàn)場生產(chǎn)產(chǎn)品進行檢驗，完全滿足生產(chǎn)要求，使用效果良好。相關(guān)的《多用精巒數(shù)控機床自動分度技術(shù)的研究》科研項目2008年通過河南省科技廳鑒定為國內(nèi)領(lǐng)先水平。