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宏FBs-MN系列PLC定位控制和變頻器在磨削機中的應用
作者 :范堤商貿(mào)(永宏P(guān)LC總代理 ) 楊駿先生
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
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)的磨削機是用復雜的繼電器控制的,存在可靠性差、可塑性差、接線復雜、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
一上電,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計數(shù)器進行計數(shù),當計數(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,操作手柄控制伺服的進或退點動,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****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
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。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完成檢測(計算出****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狀態(tài)。相應地在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DIR為高電平時,電機順時針旋轉(zhuǎn);相反,當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?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****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。
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,對應于-10V-+10V。電流輸出模式,分別對應于4mA-20mA。
3.2觸摸屏畫面設(shè)計
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,按相應按鈕即切換到相應的畫面。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、確認時間和恢復時間,當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)容及應采取的措施。閉環(huán)控制是以要求的產(chǎn)品質(zhì)量為依準,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)過幾次補償,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。
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