Die Präzisionsbearbeitungstechnologie entwickelt sich weltweit rasant, und ständig entstehen neue Bearbeitungsmethoden und -anlagen. Die weitverbreitete Anwendung von Computern hat die Präzisionsbearbeitung populärer und vielfältiger gemacht. Es gibt drei Methoden zur Erzielung von Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung: (1) die Anschaffung und Weiterentwicklung hochpräziser Bearbeitungsanlagen; (2) die Verwendung neuer Schneidwerkzeugmaterialien; (3) die Nutzung integrierter Bearbeitungs- und Messsteuerungstechnologie. Die ersten beiden Methoden sind relativ kostspielig, während die letzte Methode kostengünstiger ist und vielversprechende Perspektiven bietet. Bei dieser Methode ist neben der Genauigkeit des Werkzeugs, der Vorrichtung und der Messung ein weiterer wichtiger Aspekt die Genauigkeit des Mikrovorschubmechanismus und dessen Steuerung. In der Forschung zur Steuerung des Präzisionsschleifens verwendete der Autor einen Schrittmotor zum Antrieb einer Kugelumlaufspindel als Vorschubmechanismus. Nach Festlegung der Kugelumlaufspindel erwies sich die Steuerungsgenauigkeit des Schrittmotors als zentrale Herausforderung. 1. Steuerung des Schrittmotors: Im Normalbetrieb ohne Schrittverluste ist der Drehwinkel des Schrittmotors proportional zur Anzahl der Steuerimpulse und seine Drehzahl proportional zur Frequenz der Steuerimpulse. Es ermöglicht die einfache Steuerung von Vorwärts- und Rückwärtsdrehung, Justierung und Positionierung. Aufgrund der Trägheit von Schrittmotoren und Lasten können diese die Start- und Stoppbewegung von Steuerimpulsen nicht präzise verfolgen. Steuerimpulse können dazu führen, dass Schrittmotoren Schritte auslassen, verlieren oder sogar ganz ausfallen. Daher müssen automatische Drehzahlregelungsfunktionen für Schrittmotoren implementiert werden. Um Drehzahländerungen zu erreichen, muss die Frequenz des Eingangssignals für die Wegverschiebung erhöht, stabilisiert und verringert werden. Diese Impulsfolgen können von einer Impulsquelle und dedizierten Logikschaltungen oder von einem Mikrocomputer generiert werden. Bei Steuerungen, die aus Impulsquellen und Logikschaltungen bestehen, ist die Steuerlogik fest vorgegeben; sobald die Steuerschaltung festgelegt ist, ist auch ihre Steuerlogik festgelegt. Eine Änderung der Steuerlogik und des Steuerungsschemas erfordert eine Anpassung der Schaltungsstruktur und der Komponentenparameter. Bei Computersteuerung hingegen muss die Hardware nicht modifiziert werden; zur Änderung des Steuerungsschemas muss lediglich das Programm angepasst werden. Darüber hinaus kann das optimale Steuerungsschema aus mehreren Optionen für Steuerung und Justierung ausgewählt werden. Mehrere Schrittmotoren mit unterschiedlichen Ansteuerverfahren lassen sich gleichzeitig mit demselben System steuern. Es gibt viele Formen der Computersteuerung; dieser Artikel beschreibt die Ansteuerung von Schrittmotoren mittels einer SPS-Positionssteuereinheit. 2. SPS-Systemaufbau und Funktionsprinzip der Positionssteuereinheit Die in dieser Studie verwendete SPS... Das System besteht aus sieben Hauptmodulen: Stromversorgung, CPU, Positionssteuereinheit, E/A-Einheit, A/D-Wandler und D/A-Wandler (siehe Abbildung 1). Die Hauptfunktion der Positionssteuereinheit besteht darin, eine Impulsfolge zur Steuerung von Drehzahl und Winkel des Schrittmotors (oder Servomotors) auszugeben, sobald dieser an den Motortreiber angeschlossen ist. Der Vorschubmechanismus kann zwei- oder vierachsig sein. In diesem Artikel wird die zwei- oder vierachsige Ausführung verwendet, d. h. der seitliche und longitudinale Vorschub der Kugelumlaufspindel (siehe Abbildung 2). Die Positionssteuereinheit kann verschiedene Verfahren zur Drehzahl- und Positionsregelung implementieren, z. B. die E-Punkt-Regelung (Drehzahlregelung mit einer Stufe) (siehe Abbildung 3a) und die P-Punkt-Regelung (Drehzahlregelung mit mehreren Stufen) (siehe Abbildung 3b). Lineare Beschleunigung/Verzögerung und S-förmige Beschleunigung/Verzögerung sind in Abbildung 3(a) und 3(b) (lineare Beschleunigung/Verzögerung) sowie 3(c) (S-förmig) dargestellt. Zusätzlich gibt es absolute und relative Positionsregelung usw. Tabelle 1 zeigt die Steuercodes für verschiedene E-Punkt-Regelungsmodi (dasselbe gilt für die P-Punkt-Regelung). 3. Das SPS-Steuerungsprinzip für das Schleifen ist in Abbildung 4 dargestellt. Die SPS steuert den Frequenzumrichter, die Sensoren und die Schrittmotoren. Das Gesamtprogrammablaufdiagramm ist in Abbildung 5 dargestellt. Zwei Schrittmotoren werden von der Positionsregelung der SPS angesteuert. Beim Präzisionsschleifen ist der Quervorschub entscheidend. Die Positionsregelung der SPS steuert den Drehwinkel der Schrittmotoren präzise und gewährleistet so die genaue Positionierung der Kugelumlaufspindel. Da verschiedene Regelungsmethoden für die Positionsregelung der SPS existieren, darf der Quervorschub beim Schleifen 215 µm nicht überschreiten. Die optimale Lösung kann experimentell ermittelt werden. Hier wird nur eine Regelungsmethode verwendet, um die spezifische Anwendung der Positionsregelung zu veranschaulichen. Zunächst wird der Nullpunkt festgelegt und die Werkzeugvoreinstellung mithilfe eines Linear-Encoders durchgeführt, der den Abstand vom Nullpunkt zur Einstellposition misst. Um ein Kriechen der Kugelumlaufspindel zu verhindern, startet der Arbeitstisch vom Nullpunkt und beschleunigt bzw. verzögert nach einer bestimmten Fahrstrecke automatisch. Durch die Angabe der Anfangsgeschwindigkeit, der Zielgeschwindigkeit, der Beschleunigungs-/Verzögerungszeit und des Positionsvorgabewerts sowie die entsprechende Programmierung können die oben genannten Funktionen realisiert werden. Das zugehörige Programm ist in Abbildung 6 dargestellt. Bei einer Kugelumlaufspindelsteigung d, einem Schrittwinkel des Schrittmotors α°, einer Vorschubgeschwindigkeit v (mm/s) und einem Hub s (mm) ergibt sich eine erforderliche Impulsfrequenz (d. h. die Zielgeschwindigkeit im Programm) von f = 360v/αd (Hz) und eine Impulsanzahl (d. h. der Positionsvorgabewert im Programm) von F = 360s/da (Impulse). 4. Fazit: Die SPS-Positionssteuerung bietet zahlreiche Vorteile wie hohe Betriebsgeschwindigkeit, hohe Empfindlichkeit, hohe Präzision und einfache Programmierung. Daher besitzt es eine tiefgreifende praktische Bedeutung für Forschung, Entwicklung und Anwendung auf dem Gebiet der Präzisionsbearbeitung.