摘 要
介紹以永宏FBs-MN系列PLC為核心的磨削機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)，用PLC控制3臺變頻器，分別控制刀盤電機(jī)，拖板電機(jī)和版棍電機(jī)，并采用了永宏FBs-MN系列PLC定位控制單元的位置伺服系統(tǒng)及觸摸屏控制，相比復(fù)雜的繼電器電路控制系統(tǒng)，既簡化了控制系統(tǒng)和用戶的編程工作，又提高了精度，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性得到了提高。
關(guān)鍵詞: 可編程控制器，PLC定位控制單元，交流伺服系統(tǒng)，變頻器，人機(jī)界面
電鍍之后版輥的粗細(xì)不均勻，必須用磨削機(jī)經(jīng)過幾次磨削把它磨成粗細(xì)均勻的產(chǎn)品，而且磨削的精度要控制在0.01mm到0.05mm之間，加工時，刀具作快速直線運(yùn)動來掃描版輥表面，同時版輥在不斷旋轉(zhuǎn)，就可以加工出有一定錐度的表面，采用磨削加工，既能用簡單刀具實(shí)現(xiàn)高效切削，又能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。國外生產(chǎn)的磨削機(jī)是用復(fù)雜的繼電器控制的，存在可靠性差、可塑性差、接線復(fù)雜、自動化程度低等一系列缺點(diǎn)，并且為了在日益激烈的競爭中提高市場競爭力，選用PLC作為控制單元是較為合適的方案。本文提出了利用變頻器和PLC定位控制單元的伺服系統(tǒng)構(gòu)成磨削機(jī)的見解與方法，給出了控制系統(tǒng)軟、硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。
1 工藝流程
一上電，拖板和控制進(jìn)刀距離的伺服歸零，接著為了實(shí)現(xiàn)合適的進(jìn)刀距離開始檢測，檢測完畢開始真正的磨削過程。磨削機(jī)控制系統(tǒng)中，通過3臺變頻器來控制用于拖板移動，刀盤轉(zhuǎn)動，版輥轉(zhuǎn)動的電機(jī)，刀盤主軸進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用PLC(可編控制器)定位伺服控制系統(tǒng)，通過伺服來實(shí)現(xiàn)一定的進(jìn)刀距離，磨削出所要求的版輥，永宏FBs-MN系列PLC高速輸入讀取檢測時探頭的讀數(shù)。光電接近開關(guān)裝在轉(zhuǎn)動輪上，把拖板的長度轉(zhuǎn)化為脈沖信號，利用可編程控制器的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時，控制拖板停止移動，橫向移動控制精度要求不高，用PLC內(nèi)部計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)即可，節(jié)約了成本。噴霧閥在機(jī)器運(yùn)行時，給版輥噴灑冷卻液，來保證成形輥不受磨損及型材表面的光潔度。為了提高生產(chǎn)線使用的安全性、運(yùn)行的可靠性、維護(hù)的方便性、操作的靈活性、故障診斷的智能性、磨削的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用自動(包括粗切、精切)/手動控制方式。在選擇手動操作時，通過觸摸屏上的軟按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟、?？刂?，操作手柄控制伺服的進(jìn)或退點(diǎn)動，便于設(shè)備調(diào)試維修。在選擇自動操作時，在觸摸屏上設(shè)置版輥直徑、版輥長度、切削量，顯示檢測時的版輥直徑最大值，最小值和平均值等信息和檢測到的故障信息，從而也提高了控制便利性。改變變頻器的設(shè)定頻率，可改變拖板移動速度;版輥旋轉(zhuǎn)速度和刀盤旋轉(zhuǎn)速度。
2 磨削機(jī)PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1磨削機(jī)設(shè)備組成及設(shè)計(jì)目標(biāo)
磨削機(jī)主要由1臺永宏FBs-44MN系列PLC，1套三菱MR-J2S系列交流伺服系統(tǒng)，3臺三菱FR-E540系列變頻器，1臺WEINVIEW的510T，1個4DA模塊組成。其核心是可編程控制器，它的輸出部分主要用于控制伺服和驅(qū)動電機(jī)。其輸人部分主要接收各類保護(hù)繼電器的動作信號。整個設(shè)計(jì)具體可分為以下4部分:①采用PLC：FBs-44MN完成檢測(計(jì)算出最佳的進(jìn)刀量)，自動磨削等工序。②利用伺服實(shí)現(xiàn)對磨削進(jìn)刀量的雙閉環(huán)控制。③利用內(nèi)部計(jì)數(shù)器和光電開關(guān)讀取橫向拖板移動距離。④采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)了更為方便、友好的人機(jī)通訊。
2.2 PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成
控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器FBs-44MN、伺服、光電接近開關(guān)和D/A擴(kuò)展模塊以及觸摸屏元件組成，實(shí)現(xiàn)磨削過程中基本邏輯動作、檢測、伺服閉環(huán)控制和人機(jī)通訊四大功能
1)伺服和定位控制器的結(jié)合模塊:磨削機(jī)要求絲杠上的刀盤在加工前后必須停拖板電機(jī)在相同的位置，以便下一加工循環(huán)，否則將造成刀具或工件損壞。準(zhǔn)確定位在普通繼電器控制的鼠籠式交流電機(jī)上實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩，我們采取伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定位，引人速度負(fù)反饋消除了外界參數(shù)變化和擾動對系統(tǒng)狀態(tài)的影響，使該系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。為了在工作過程中使精度控制在規(guī)定的誤差以內(nèi)，進(jìn)刀距離通過檢測采用閉環(huán)跟蹤控制。首先是用FBs-44MN讀取檢測時探頭接觸版輥的讀數(shù)，并根據(jù)公式顯示出版輥的直徑最大，最小，平均值(與制定合適的切削量有關(guān))，然后用此時的伺服讀數(shù)減去探頭讀數(shù)，再加上需要的切削量求出比較精確的進(jìn)刀量，最后開始整個自動磨削過程。FBs-44MN作為智能化的定位控制器按用戶編制的定位程序向驅(qū)動器發(fā)出定位脈沖、運(yùn)行方向等，信號驅(qū)動器按這些控制信號驅(qū)動伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠進(jìn)行定位，對于伺服電機(jī)，有伺服準(zhǔn)備、伺服結(jié)束和零位三個信號反饋，外部設(shè)定用數(shù)字開關(guān)可將定位點(diǎn)位置和速度等數(shù)值送人定位單元，定位單元通過總線連接到FX系列PLC擴(kuò)展口上，成為PLC控制系統(tǒng)中的定位智能控制環(huán)節(jié)，在定位單元內(nèi)，常量的設(shè)置與監(jiān)控、參數(shù)的改變可以通過使用連接到PLC上的數(shù)據(jù)存取單元完成，因此可以在運(yùn)行過程中由PLC指定模塊號(這里4DA是1號模塊)，傳送定位速度等數(shù)據(jù)，并能在PLC中監(jiān)視GM的實(shí)時定位信號及運(yùn)行或停止?fàn)顟B(tài)。相應(yīng)地在PLC中分配有輸人繼電器，輸出繼電器，輔助繼電器，以及特殊輔助繼電器等設(shè)備。
進(jìn)刀量用伺服電機(jī)來控制，伺服電機(jī)的控制由PLC實(shí)現(xiàn)。PLC產(chǎn)生兩路信號，一路為伺服脈沖信號，它的頻率和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，它的個數(shù)決定了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。另一路為方向電平信號DIR。當(dāng)DIR為高電平時，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn);相反，當(dāng)DIR為低電平時，電機(jī)為逆時針旋轉(zhuǎn)。磨削中分為粗切和精切，精切的精度要求很高，一般切削量不能大于0.05mm，伺服前進(jìn)lmm，就發(fā)了1600個脈沖，相當(dāng)于一個脈沖就前進(jìn)了0.625um，精度非常高，從而使得絲杠得到精確定位。伺服控制刀盤進(jìn)刀時，進(jìn)刀速度不是不變的，當(dāng)?shù)侗P接近版輥的時候要自動開始減速，以免過沖影響磨削質(zhì)量。控制刀盤進(jìn)刀的絲杠上有三個接近開關(guān)，一個是用來原點(diǎn)定位的，另外兩個分別是進(jìn)、退接近開關(guān)。
3) 變頻器模塊:為實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)速度調(diào)整和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，我們采用變頻器來調(diào)速電機(jī)。變頻器的模擬輸人電壓端子接受4DA速度電壓值后，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)值來對異步電動機(jī)調(diào)速。調(diào)速方式為WF型，這種調(diào)速方式在改變變頻器輸出頻率的同時改變變頻器的輸出電壓，兩者的比值為定，以保持異步電動機(jī)磁通不變。該調(diào)速方式簡便、可靠，能夠滿足電機(jī)調(diào)速的要求。
4) 觸摸屏:觸摸屏與PLC相配合，使對設(shè)備的任意多的操作控制、大量的運(yùn)行信息反饋通過對觸摸屏編程予與實(shí)現(xiàn)，PLC與觸摸屏之間通過串行接口通訊，連線簡潔，整個系統(tǒng)更緊湊、美觀。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 PLC控制的軟件設(shè)計(jì)
PLC控制 軟件的設(shè)計(jì)大致可以分為以下幾個模塊:上電初始化、檢測、自動磨削、報(bào)警及報(bào)替處理。選用永宏的FBS系列PLC，其內(nèi)部包含基本邏輯指令、步進(jìn)順控指令和功能指令，配合擴(kuò)展模塊的特殊指令，編程靈活、修改方便且運(yùn)行穩(wěn)定。首先進(jìn)行初始化，初始化包括拖板、刀盤進(jìn)給絲杠和伺服的歸零，一上電伺服控制刀盤的軸快速移動到零點(diǎn)位置，相應(yīng)的伺服讀數(shù)為零，拖板也根據(jù)需要回到零點(diǎn)位置，若刀盤主軸進(jìn)給超過最大給定行程時，系統(tǒng)發(fā)出超程報(bào)警，同時刀盤主軸自動返回零位。比較麻煩的是不知道要切削幾次才可以達(dá)到磨削的期望值，為了提高效率，用戶可以將常用的磨削周期存儲起來以備后用，而不必重新設(shè)計(jì)磨削周期。
2) DA模塊:版輥旋轉(zhuǎn)，刀盤旋轉(zhuǎn)，拖板移動分別用3臺電動機(jī)拖動，變頻器根據(jù)輸入的版輥直徑，版輥長度通過調(diào)用公式來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，保證磨削出一定錐度的表面。三個速度和版輥直徑，長度之間存在著一定的機(jī)械關(guān)系，而這種折算關(guān)系存儲在PLC中并在磨削前自動調(diào)用出來，拖板的橫向移動距離用接近開關(guān)檢測，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周檢測5個開關(guān)(絲杠前進(jìn)10mm)，計(jì)5次數(shù)，一次計(jì)數(shù)就移動2mm，停止時已經(jīng)記下一定的距離，當(dāng)拖板退回去的時候可以根據(jù)折算好的計(jì)數(shù)值自動停止移動。無論刀盤轉(zhuǎn)速還是版輥轉(zhuǎn)速、拖板移動速度發(fā)生波動，都會影響磨削出來的表面精度，因此，當(dāng)其中一個速度發(fā)生波動時，另外兩個的轉(zhuǎn)速必須迅速跟蹤。無論手動操作時設(shè)定速度還是根據(jù)版輥直徑，長度通過公式求得刀盤、版輥、拖板速度值，都要將其值傳給三菱變頻器。為此，我們增加4DA模塊。該模塊提供4個輸出通道(要用到3個通道),電壓輸出模式，對應(yīng)于-10V-+10V。電流輸出模式，分別對應(yīng)于4mA-20mA。
3.2觸摸屏畫面設(shè)計(jì)
510T為彩色液晶，256色顯示。觸摸屏可取代操作按鈕、撥碼盤，SEGA數(shù)碼管，使本系統(tǒng)配置、連線，PLC程序更加簡潔。通過組態(tài)軟件，可生產(chǎn)豐富的用戶畫面。既方便操作者使用，又便于設(shè)計(jì)者開發(fā)，是理想的人機(jī)界面。該系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)了歡迎登錄畫面、主畫面、手動操作畫面、粗切顯示監(jiān)控畫面、粗切操作畫面、精切顯示監(jiān)控畫面、精切操作畫面、故障顯示畫面和報(bào)警履歷顯示等9個基本畫面和幫助及故障詳細(xì)顯示等10個窗口畫面。這些畫面從個人電腦傳送到觸摸屏即可使用，而觸摸屏與PLC通過RS-422通信電纜連接可實(shí)現(xiàn)信息互通。在畫面的設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，也可從觸摸屏上傳畫面到計(jì)算機(jī)對畫面進(jìn)行修改。歡迎登錄畫面要求操作者登錄前先輸人口令，以防非操作人員進(jìn)入后隨意修改和操作。主畫面用來選擇某項(xiàng)操作，按相應(yīng)按鈕即切換到相應(yīng)的畫面。手動操作畫面利用觸摸鍵豐富而靈活多樣的功能設(shè)置，對設(shè)備直接進(jìn)行手動起動、停機(jī)控制，歸零，檢測。自動操作畫面(分粗切、精切)主要用來設(shè)定切削量、版輥直徑、拖板移動距離并開始切削等動作。監(jiān)控畫面有兩個，其中一個用來顯示各限位開關(guān)的動作情況，另一個用來顯示各輸出設(shè)備的動作情況，兩者都以指示燈和標(biāo)注文字屬性的變化來表示動作與否。故障顯示畫面對設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時報(bào)警，而報(bào)警履歷顯示畫面用來顯示報(bào)警的日期、時間、消息、確認(rèn)時間和恢復(fù)時間，當(dāng)用手觸摸某一故障時將彈出窗口畫面詳細(xì)顯示相關(guān)內(nèi)容及應(yīng)采取的措施。閉環(huán)控制是以要求的產(chǎn)品質(zhì)量為依準(zhǔn)，判斷運(yùn)行過程中是否有外部因素引起的切削量的不足，實(shí)時地調(diào)整切削量，經(jīng)過幾次補(bǔ)償，達(dá)到理想產(chǎn)品要求。
4 結(jié)束語
伺服系統(tǒng)雙閉環(huán)控制(位置環(huán)、速度環(huán))可以把穩(wěn)態(tài)誤差控制在1wm以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土0.03mm，因此，本系統(tǒng)的精度是很高的。本文提出的應(yīng)用PLC和HMI控制磨削機(jī)設(shè)備滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。通過工業(yè)運(yùn)行證明，這種系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單實(shí)用、工作可靠、運(yùn)行靈活、性價比高，具有推廣價值。軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)，功能完善。采用PLC一觸摸屏結(jié)合的電氣控制方案并與機(jī)械技術(shù)組合一體，使該磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高、生產(chǎn)效率高，并且設(shè)備的可維護(hù)性和靈活性大為提高。
