摘 要 介紹以永宏FBs-MN系列PLC為核心的磨削機設(shè)備控制系統(tǒng)，用PLC控制3臺變頻器，分別控制刀盤電機，拖板電機和版棍電機，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，人機界面，位置環(huán)、速度環(huán) 砂帶磨削機有高速雙軸電機，與電機殼體連接的支臂，裝于電機輸出軸上的主動輪，在支臂上在與主動軸相對應(yīng)位置上有從動軸，從動軸上裝有從動輪，砂帶裝在主動輪和從動輪上。采用高速雙軸電機帶動各種砂帶而對各種材料制成的工件進行磨削和拋光。減少人工的勞動強度，噪聲小，粉塵少，保護了人體健康。結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小，外形美觀，操作方便，加工磨削拋光精度高。 多功能砂帶磨削機，其特征在于所述的磨削機中有高速雙軸電機，與電機殼體連接的支臂，裝于電機輸出軸上的主動輪，在支臂上在與電機軸相對應(yīng)位置上有從動軸，從動軸上裝有從動輪，砂帶裝在主動輪和從動輪上。 電鍍之后版輥的粗細不均勻，必須用磨削機經(jīng)過幾次磨削把它磨成粗細均勻的產(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，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)計方案。 1 工藝流程 上電后，拖板和控制進刀距離的伺服歸零，接著為了實現(xiàn)合適的進刀距離開始檢測，檢測完畢開始真正的磨削過程。磨削機控制系統(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，刀盤主軸進給系統(tǒng)應(yīng)用PLC（可編控制器）定位伺服控制系統(tǒng)，通過伺服來實現(xiàn)一定的進刀距離，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高速計數(shù)器進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達到設(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)部計數(shù)器來實現(xiàn)即可，節(jié)約了成本。噴霧閥在機器運行時，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、運行的可靠性、維護的方便性、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現(xiàn)設(shè)備啟、?？刂疲僮魇直刂扑欧倪M或退點動，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PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 2.1 磨削機設(shè)備組成及設(shè)計目標(biāo) 磨削機主要由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MT510T，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。其輸人部分主要接收各類保護繼電器的動作信號。整個設(shè)計具體可分為以下4部分:①采用PLC：FBs-44MN的PLC完成檢測（計算出最佳的進刀量），自動磨削等工序。②利用伺服實現(xiàn)對磨削進刀量的雙閉環(huán)控制。③利用內(nèi)部計數(shù)器和光電開關(guān)讀取橫向拖板移動距離。④采用觸摸屏實現(xiàn)了更為方便、友好的人機通訊。 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擴展模塊以及觸摸屏元件組成，實現(xiàn)磨削過程中基本邏輯動作、檢測、伺服閉環(huán)控制和人機通訊四大功能 1） 伺服和定位控制器的結(jié)合模塊:磨削機要求絲杠上的刀盤在加工前后必須停拖板電機在相同的位置，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上實現(xiàn)起來比較麻煩，我們采取伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)定位，引人速度負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。為了在工作過程中使精度控制在規(guī)定的誤差以內(nèi)，進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、運行方向等，信號驅(qū)動器按這些控制信號驅(qū)動伺服電機帶動滾珠絲杠進行定位，對于伺服電機，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的實時定位信號及運行或停止?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。 2） 進刀量用伺服電機來控制，伺服電機的控制由PLC實現(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的轉(zhuǎn)速成正比，它的個數(shù)決定了伺服電機旋轉(zhuǎn)的角度。另一路為方向電平信號DIR。當(dāng)DIR為高電平時，電機順時針旋轉(zhuǎn);相反，當(dāng)DIR為低電平時，電機為逆時針旋轉(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lmm，就發(fā)了1600個脈沖，相當(dāng)于一個脈沖就前進了0.625um，精度非常高，從而使得絲杠得到精確定位。伺服控制刀盤進刀時，進刀速度不是不變的，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?？刂频侗P進刀的絲杠上有三個接近開關(guān)，一個是用來原點定位的，另外兩個分別是進、退接近開關(guān)。 3） 變頻器模塊:為實現(xiàn)三相異步電動機速度調(diào)整和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，我們采用變頻器來調(diào)速電機。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，兩者的比值為恒定，以保持異步電動機磁通不變。該調(diào)速方式簡便、可靠，能夠滿足電機調(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、大量的運行信息反饋通過對觸摸屏編程予與實現(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 3.1 PLC控制的軟件設(shè)計 PLC控制 軟件的設(shè)計大致可以分為以下幾個模塊:上電初始化、檢測、自動磨削、報警及報替處理。選用永宏的FBS系列PLC，其內(nèi)部包含基本邏輯指令、步進順控指令和功能指令，配合擴展模塊的特殊指令，編程靈活、修改方便且運行穩(wěn)定。首先進行初始化，初始化包括拖板、刀盤進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)需要回到零點位置，若刀盤主軸進給超過最大給定行程時，系統(tǒng)發(fā)出超程報警，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)計磨削周期。 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，電機每轉(zhuǎn)一周檢測5個開關(guān)（絲杠前進10mm），計5次數(shù)，一次計數(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0V-+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 MT510T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)計者開發(fā)，是理想的人機界面。該系統(tǒng)中主要設(shè)計了歡迎登錄畫面、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、故障顯示畫面和報警履歷顯示等9個基本畫面和幫助及故障詳細顯示等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通信電纜連接可實現(xiàn)信息互通。在畫面的設(shè)計調(diào)試過程中，也可從觸摸屏上傳畫面到計算機對畫面進行修改。歡迎登錄畫面要求操作者登錄前先輸人口令，以防非操作人員進入后隨意修改和操作。主畫面用來選擇某項操作，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)備直接進行手動起動、停機控制，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)備的故障進行實時報警，而報警履歷顯示畫面用來顯示報警的日期、時間、消息、確認時間和恢復(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)，判斷運行過程中是否有外部因素引起的切削量的不足，實時地調(diào)整切削量，經(jīng)過多次補償，達到理想產(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，遠遠小于土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控制磨削機設(shè)備滿足控制要求，在實際運行中是切實可行的。通過工業(yè)運行證明，這種系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單實用、工作可靠、運行靈活、性價比高，具有推廣價值。軟件編程采用模塊化設(shè)計，功能完善。采用PLC一觸摸屏結(jié)合的電氣控制方案并與機械技術(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)備的可維護性和靈活性大為提高。