永宏FBs-MN系列PLC定位控制和變頻器在磨削機中的應用

電鍍之后版輥的粗細不均勻，必須用磨削機經過幾次磨削把它磨成粗細均勻的產品，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，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高效切削，又能簡化系統結構。國外生產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構成磨削機的見解與方法，給出了控制系統軟、硬件結構的設計方案。

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。磨削機控制系統中，通過3臺變頻器來控制用于拖板移動，刀盤轉動，版輥轉動的電機，刀盤主軸進給系統應用PLC(可編控制器)定位伺服控制系統，通過伺服來實現一定的進刀距離，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。光電接近開關裝在轉動輪上，把拖板的長度轉化為脈沖信號，利用可編程控制器的計數器進行計數，當計數值達到設定值時，控制拖板停止移動，橫向移動控制精度要求不高，用PLC內部計數器來實現即可，節約了成本。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，設計的控制系統采用自動(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設備啟、停控制，操作手柄控制伺服的進或退點動，便于設備調試維修。在選擇自動操作時，在觸摸屏上設置版輥直徑、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。改變變頻器的設定頻率，可改變拖板移動速度;版輥旋轉速度和刀盤旋轉速度。

2 磨削機PLC控制系統的硬件設計

2.1磨削機設備組成及設計目標
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，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。整個設計具體可分為以下4部分:①采用PLC：FBs-44MN完成檢測(計算出最佳的進刀量)，自動磨削等工序。②利用伺服實現對磨削進刀量的雙閉環控制。③利用內部計數器和光電開關讀取橫向拖板移動距離。④采用觸摸屏實現了更為方便、友好的人機通訊。

2.2 PLC控制系統構成
控制系統由可編程邏輯控制器FBs-44MN、伺服、光電接近開關和D/A擴展模塊以及觸摸屏元件組成，實現磨削過程中基本邏輯動作、檢測、伺服閉環控制和人機通訊四大功能

1)伺服和定位控制器的結合模塊: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，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起來比較麻煩，我們采取伺服系統來實現定位，引人速度負反饋消除了外界參數變化和擾動對系統狀態的影響，使該系統具有動態響應快、定位精度高、系統穩定性好等特點。為了在工作過程中使精度控制在規定的誤差以內，進刀距離通過檢測采用閉環跟蹤控制。首先是用FBs-44MN讀取檢測時探頭接觸版輥的讀數，并根據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)，然后用此時的伺服讀數減去探頭讀數，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動器發出定位脈沖、運行方向等，信號驅動器按這些控制信號驅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、伺服結束和零位三個信號反饋，外部設定用數字開關可將定位點位置和速度等數值送人定位單元，定位單元通過總線連接到FX系列PLC擴展口上，成為PLC控制系統中的定位智能控制環節，在定位單元內，常量的設置與監控、參數的改變可以通過使用連接到PLC上的數據存取單元完成，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)，傳送定位速度等數據，并能在PLC中監視GM的實時定位信號及運行或停止狀態。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備。

進刀量用伺服電機來控制，伺服電機的控制由PLC實現。PLC產生兩路信號，一路為伺服脈沖信號，它的頻率和伺服電機的轉速成正比，它的個數決定了伺服電機旋轉的角度。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;相反，當DIR為低電平時，電機為逆時針旋轉。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，當刀盤接近版輥的時候要自動開始減速，以免過沖影響磨削質量。控制刀盤進刀的絲杠上有三個接近開關，一個是用來原點定位的，另外兩個分別是進、退接近開關。

3) 變頻器模塊:為實現三相異步電動機速度調整和穩定運轉，我們采用變頻器來調速電機。變頻器的模擬輸人電壓端子接受4DA速度電壓值后，根據內部設定的參數值來對異步電動機調速。調速方式為WF型，這種調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。該調速方式簡便、可靠，能夠滿足電機調速的要求。

4) 觸摸屏:觸摸屏與PLC相配合，使對設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，PLC與觸摸屏之間通過串行接口通訊，連線簡潔，整個系統更緊湊、美觀。

3 系統的軟件設計

3.1 PLC控制的軟件設計
PLC控制 軟件的設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，相應的伺服讀數為零，拖板也根據需要回到零點位置，若刀盤主軸進給超過最大給定行程時，系統發出超程報警，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，而不必重新設計磨削周期。
2) DA模塊:版輥旋轉，刀盤旋轉，拖板移動分別用3臺電動機拖動，變頻器根據輸入的版輥直徑，版輥長度通過調用公式來調節電動機轉速，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系，而這種折算關系存儲在PLC中并在磨削前自動調用出來，拖板的橫向移動距離用接近開關檢測，電機每轉一周檢測5個開關(絲杠前進10mm)，計5次數，一次計數就移動2mm，停止時已經記下一定的距離，當拖板退回去的時候可以根據折算好的計數值自動停止移動。無論刀盤轉速還是版輥轉速、拖板移動速度發生波動，都會影響磨削出來的表面精度，因此，當其中一個速度發生波動時，另外兩個的轉速必須迅速跟蹤。無論手動操作時設定速度還是根據版輥直徑，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數碼管，使本系統配置、連線，PLC程序更加簡潔。通過組態軟件，可生產豐富的用戶畫面。既方便操作者使用，又便于設計者開發，是理想的人機界面。該系統中主要設計了歡迎登錄畫面、主畫面、手動操作畫面、粗切顯示監控畫面、粗切操作畫面、精切顯示監控畫面、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信息互通。在畫面的設計調試過程中，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置，對設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)主要用來設定切削量、版輥直徑、拖板移動距離并開始切削等動作。監控畫面有兩個，其中一個用來顯示各限位開關的動作情況，另一個用來顯示各輸出設備的動作情況，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內容及應采取的措施。閉環控制是以要求的產品質量為依準，判斷運行過程中是否有外部因素引起的切削量的不足，實時地調整切削量，經過幾次補償，達到理想產品要求。


4 結束語

伺服系統雙閉環控制(位置環、速度環)可以把穩態誤差控制在1wm以下，遠遠小于土0.03mm，因此，本系統的精度是很高的。本文提出的應用PLC和HMI控制磨削機設備滿足控制要求，在實際運行中是切實可行的。通過工業運行證明，這種系統硬件設計簡單實用、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計，功能完善。采用PLC一觸摸屏結合的電氣控制方案并與機械技術組合一體，使該磨削設備結構緊湊、自動化程度高、生產效率高，并且設備的可維護性和靈活性大為提高。