永宏FBs-MN系列PLC定位控制和变频器在磨削机中的应用———永宏F

摘 要

       介绍以永宏FBs-MN系列PLC为核心的磨削机设备控制系统，用PLC控制3台变频器，分别控制刀盘电机，拖板电机和版棍电机，并采用了永宏FBs-MN系列PLC定位控制单元的位置伺服系统及触摸屏控制，相比复杂的继电器电路控制系统，既简化了控制系统和用户的编程工作，又提高了精度，使系统的稳定性和灵活性得到了提高。


关键词: 可编程控制器，PLC定位控制单元，交流伺服系统，变频器，人机界面


       电镀之后版辊的粗细不均匀，必须用磨削机经过几次磨削把它磨成粗细均匀的产品，而且磨削的精度要控制在0.01mm到0.05mm之间，加工时，刀具作快速直线运动来扫描版辊表面，同时版辊在不断旋转，就可以加工出有一定锥度的表面，采用磨削加工，既能用简单刀具实现高效切削，又能简化系统结构。国外生产的磨削机是用复杂的继电器控制的，存在可靠性差、可塑性差、接线复杂、自动化程度低等一系列缺点，并且为了在日益激烈的竞争中提高市场竞争力，选用PLC作为控制单元是较为合适的方案。本文提出了利用变频器和PLC定位控制单元的伺服系统构成磨削机的见解与方法，给出了控制系统软、硬件结构的设计方案。

1 工艺流程

       一上电，拖板和控制进刀距离的伺服归零，接着为了实现合适的进刀距离开始检测，检测完毕开始真正的磨削过程。磨削机控制系统中，通过3台变频器来控制用于拖板移动，刀盘转动，版辊转动的电机，刀盘主轴进给系统应用PLC(可编控制器)定位伺服控制系统，通过伺服来实现一定的进刀距离，磨削出所要求的版辊，永宏FBs-MN系列PLC高速输入读取检测时探头的读数。光电接近开关装在转动轮上，把拖板的长度转化为脉冲信号，利用可编程控制器的计数器进行计数，当计数值达到设定值时，控制拖板停止移动，横向移动控制精度要求不高，用PLC内部计数器来实现即可，节约了成本。喷雾阀在机器运行时，给版辊喷洒冷却液，来保证成形辊不受磨损及型材表面的光洁度。为了提高生产线使用的安全性、运行的可靠性、维护的方便性、操作的灵活性、故障诊断的智能性、磨削的准确性，设计的控制系统采用自动(包括粗切、精切)/手动控制方式。在选择手动操作时，通过触摸屏上的软按钮实现设备启、停控制，操作手柄控制伺服的进或退点动，便于设备调试维修。在选择自动操作时，在触摸屏上设置版辊直径、版辊长度、切削量，显示检测时的版辊直径最大值，最小值和平均值等信息和检测到的故障信息，从而也提高了控制便利性。改变变频器的设定频率，可改变拖板移动速度;版辊旋转速度和刀盘旋转速度。

2 磨削机PLC控制系统的硬件设计
  2.1磨削机设备组成及设计目标
  
       磨削机主要由1台永宏FBs-44MN系列PLC，1套三菱MR-J2S系列交流伺服系统，3台三菱FR-E540系列变频器，1台WEINVIEW的510T，1个4DA模块组成。其核心是可编程控制器，它的输出部分主要用于控制伺服和驱动电机。其输人部分主要接收各类保护继电器的动作信号。整个设计具体可分为以下4部分:①采用PLC：FBs-44MN完成检测(计算出最佳的进刀量)，自动磨削等工序。②利用伺服实现对磨削进刀量的双闭环控制。③利用内部计数器和光电开关读取横向拖板移动距离。④采用触摸屏实现了更为方便、友好的人机通讯。

  2.2 PLC控制系统构成

       控制系统由可编程逻辑控制器FBs-44MN、伺服、光电接近开关和D/A扩展模块以及触摸屏元件组成，实现磨削过程中基本逻辑动作、检测、伺服闭环控制和人机通讯四大功能

1)伺服和定位控制器的结合模块:磨削机要求丝杠上的刀盘在加工前后必须停拖板电机在相同的位置，以便下一加工循环，否则将造成刀具或工件损坏。准确定位在普通继电器控制的鼠笼式交流电机上实现起来比较麻烦，我们采取伺服系统来实现定位，引人速度负反馈消除了外界参数变化和扰动对系统状态的影响，使该系统具有动态响应快、定位精度高、系统稳定性好等特点。为了在工作过程中使精度控制在规定的误差以内，进刀距离通过检测采用闭环跟踪控制。首先是用FBs-44MN读取检测时探头接触版辊的读数，并根据公式显示出版辊的直径最大，最小，平均值(与制定合适的切削量有关)，然后用此时的伺服读数减去探头读数，再加上需要的切削量求出比较精确的进刀量，最后开始整个自动磨削过程。FBs-44MN作为智能化的定位控制器按用户编制的定位程序向驱动器发出定位脉冲、运行方向等，信号驱动器按这些控制信号驱动伺服电机带动滚珠丝杠进行定位，对于伺服电机，有伺服准备、伺服结束和零位三个信号反馈，外部设定用数字开关可将定位点位置和速度等数值送人定位单元，定位单元通过总线连接到FX系列PLC扩展口上，成为PLC控制系统中的定位智能控制环节，在定位单元内，常量的设置与监控、参数的改变可以通过使用连接到PLC上的数据存取单元完成，因此可以在运行过程中由PLC指定模块号(这里4DA是1号模块)，传送定位速度等数据，并能在PLC中监视GM的实时定位信号及运行或停止状态。相应地在PLC中分配有输人继电器，输出继电器，辅助继电器，以及特殊辅助继电器等设备。

       进刀量用伺服电机来控制，伺服电机的控制由PLC实现。PLC产生两路信号，一路为伺服脉冲信号，它的频率和伺服电机的转速成正比，它的个数决定了伺服电机旋转的角度。另一路为方向电平信号DIR。当DIR为高电平时，电机顺时针旋转;相反，当DIR为低电平时，电机为逆时针旋转。磨削中分为粗切和精切，精切的精度要求很高，一般切削量不能大于0.05mm，伺服前进lmm，就发了1600个脉冲，相当于一个脉冲就前进了0.625um，精度非常高，从而使得丝杠得到精确定位。伺服控制刀盘进刀时，进刀速度不是不变的，当刀盘接近版辊的时候要自动开始减速，以免过冲影响磨削质量。控制刀盘进刀的丝杠上有三个接近开关，一个是用来原点定位的，另外两个分别是进、退接近开关。

3) 变频器模块:为实现三相异步电动机速度调整和稳定运转，我们采用变频器来调速电机。变频器的模拟输人电压端子接受4DA速度电压值后，根据内部设定的参数值来对异步电动机调速。调速方式为WF型，这种调速方式在改变变频器输出频率的同时改变变频器的输出电压，两者的比值为?定，以保持异步电动机磁通不变。该调速方式简便、可靠，能够满足电机调速的要求。

4) 触摸屏:触摸屏与PLC相配合，使对设备的任意多的操作控制、大量的运行信息反馈通过对触摸屏编程予与实现，PLC与触摸屏之间通过串行接口通讯，连线简洁，整个系统更紧凑、美观。


  3 系统的软件设计

  3.1 PLC控制的软件设计
      
         PLC控制 软件的设计大致可以分为以下几个模块:上电初始化、检测、自动磨削、报警及报替处理。选用永宏的FBS系列PLC，其内部包含基本逻辑指令、步进顺控指令和功能指令，配合扩展模块的特殊指令，编程灵活、修改方便且运行稳定。首先进行初始化，初始化包括拖板、刀盘进给丝杠和伺服的归零，一上电伺服控制刀盘的轴快速移动到零点位置，相应的伺服读数为零，拖板也根据需要回到零点位置，若刀盘主轴进给超过最大给定行程时，系统发出超程报警，同时刀盘主轴自动返回零位。比较麻烦的是不知道要切削几次才可以达到磨削的期望值，为了提高效率，用户可以将常用的磨削周期存储起来以备后用，而不必重新设计磨削周期。
       2) DA模块:版辊旋转，刀盘旋转，拖板移动分别用3台电动机拖动，变频器根据输入的版辊直径，版辊长度通过调用公式来调节电动机转速，保证磨削出一定锥度的表面。三个速度和版辊直径，长度之间存在着一定的机械关系，而这种折算关系存储在PLC中并在磨削前自动调用出来，拖板的横向移动距离用接近开关检测，电机每转一周检测5个开关(丝杠前进10mm)，计5次数，一次计数就移动2mm，停止时已经记下一定的距离，当拖板退回去的时候可以根据折算好的计数值自动停止移动。无论刀盘转速还是版辊转速、拖板移动速度发生波动，都会影响磨削出来的表面精度，因此，当其中一个速度发生波动时，另外两个的转速必须迅速跟踪。无论手动操作时设定速度还是根据版辊直径，长度通过公式求得刀盘、版辊、拖板速度值，都要将其值传给三菱变频器。为此，我们增加4DA模块。该模块提供4个输出通道(要用到3个通道),电压输出模式，对应于-10V-+10V。电流输出模式，分别对应于4mA-20mA。

3.2触摸屏画面设计

       510T为彩色液晶，256色显示。触摸屏可取代操作按钮、拨码盘，SEGA数码管，使本系统配置、连线，PLC程序更加简洁。通过组态软件，可生产丰富的用户画面。既方便操作者使用，又便于设计者开发，是理想的人机界面。该系统中主要设计了欢迎登录画面、主画面、手动操作画面、粗切显示监控画面、粗切操作画面、精切显示监控画面、精切操作画面、故障显示画面和报警履历显示等9个基本画面和帮助及故障详细显示等10个窗口画面。这些画面从个人电脑传送到触摸屏即可使用，而触摸屏与PLC通过RS-422通信电缆连接可实现信息互通。在画面的设计调试过程中，也可从触摸屏上传画面到计算机对画面进行修改。欢迎登录画面要求操作者登录前先输人口令，以防非操作人员进入后随意修改和操作。主画面用来选择某项操作，按相应按钮即切换到相应的画面。手动操作画面利用触摸键丰富而灵活多样的功能设置，对设备直接进行手动起动、停机控制，归零，检测。自动操作画面(分粗切、精切)主要用来设定切削量、版辊直径、拖板移动距离并开始切削等动作。监控画面有两个，其中一个用来显示各限位开关的动作情况，另一个用来显示各输出设备的动作情况，两者都以指示灯和标注文字属性的变化来表示动作与否。故障显示画面对设备的故障进行实时报警，而报警履历显示画面用来显示报警的日期、时间、消息、确认时间和恢复时间，当用手触摸某一故障时将弹出窗口画面详细显示相关内容及应采取的措施。闭环控制是以要求的产品质量为依准，判断运行过程中是否有外部因素引起的切削量的不足，实时地调整切削量，经过几次补偿，达到理想产品要求。


4 结束语

       伺服系统双闭环控制(位置环、速度环)可以把稳态误差控制在1wm以下，远远小于土0.03mm，因此，本系统的精度是很高的。本文提出的应用PLC和HMI控制磨削机设备满足控制 要求，在实际运行中是切实可行的。通过工业运行证明，这种系统硬件设计简单实用、工作可靠、运行灵活、性价比高，具有推广价值。软件编程采用模块化设计，功能完善。采用PLC一触摸屏结合的电气控制方案并与机械技术组合一体，使该磨削设备结构紧凑、自动化程度高、生产效率高，并且设备的可维护性和灵活性大为提高。