1 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
在汽車、拖拉機(jī)零部件的許多加工領(lǐng)域需要對(duì)各類加工工件的端面或圓周面進(jìn)行均勻分度。傳統(tǒng)的分度是采用定位卡盤和定位銷的機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行分度定位，對(duì)不同型號(hào)和不同要求的工件進(jìn)行加工時(shí)。由于所需分度位數(shù)不同，要求更換不同的卡盤。需準(zhǔn)備多套與之配套的定位卡盤。隨著定位卡盤和定位銷使用次數(shù)的不斷增加，存在著機(jī)械磨損，從而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確均勻分度，加工精度變差。我們?cè)O(shè)計(jì)研制的智能自動(dòng)分度控制系統(tǒng)，是基于可編程序控制器(PLC)，利用其功能指令中脈沖輸出指令控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，通過軟件編程技巧消除均勻分度的累積誤差，從而實(shí)現(xiàn)智能、隨機(jī)、精密、自動(dòng)分度的定位控制。該智能自動(dòng)分度控制系統(tǒng)，根據(jù)加工工件均勻分度所要求的分度值不同，即可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)各種工件端面隨機(jī)均勻分度，亦可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)其圓周面上隨機(jī)均勻分度。此智能自動(dòng)分度控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
1)針對(duì)不同加工工件的需要，通過兩位撥碼開關(guān)輸入分度位數(shù)，范圍可以從2到99。
2)PLC根據(jù)輸入的分度位數(shù)值，通過精確運(yùn)算處理，輸出一定的脈沖量，從而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確定位。
由于選取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.9°，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不加細(xì)分控制時(shí)，控制精度可達(dá)到0.9°/N；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加入細(xì)分控制時(shí)，理論控制精度最高町達(dá)的0.9°／N／M(其N為傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比，肘為細(xì)分值)。
3)對(duì)在分度運(yùn)算中存在余數(shù)造成的累積誤差，進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)消除處理，確保均勻分度的精確控制。
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
輸入點(diǎn)：X1：原點(diǎn)；X2：自動(dòng)；X3：手動(dòng)；X4：?jiǎn)?dòng)；x5：分度正反轉(zhuǎn)；x6：分度軸鎖緊與松開；X20，x2l，X趨和X23：8421BCD撥碼開關(guān)數(shù)字輸入。
輸出點(diǎn)：Y0：驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；Y1：分度正反向；Y2：分度軸鎖緊；Y4和Y5：8421 BCD撥碼開關(guān)輸入控制。
根據(jù)分度要求及一般機(jī)械加工裝置所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，主控制單元采用日本三菱公司的FXlr40MT型PLC。該P(yáng)LC體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高，且具有定佗控制及脈沖輸出功能。其系統(tǒng)輸入、輸出點(diǎn)和撥碼開關(guān)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。該智能自動(dòng)分度控制系統(tǒng)是針對(duì)各種類型加工工件的精密分度，分度位數(shù)根據(jù)要求可由2至99個(gè)之間隨機(jī)選取，利用兩位8421 BCD撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)加工分度位數(shù)的輸入。撥碼開關(guān)輸入控制由PLC輸入點(diǎn)x20。x21，x22和x23，及輸出點(diǎn)Y4和Y5協(xié)同實(shí)現(xiàn)。
圖1控制系統(tǒng)原理圖
在實(shí)際應(yīng)用的多軸數(shù)控系統(tǒng)中，通常的定位控制是采用PLC加定位模塊實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)進(jìn)行定位控制的定位軸較少時(shí)，可直接利用PLC本身的高速脈沖輸出口控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這樣控制方法簡(jiǎn)單方便，又可降低控制成本。
FxlN-40MT型PIE，具備簡(jiǎn)易的定位控制及脈沖輸出功能。其輸出點(diǎn)Y0具有脈沖輸出功能，輸出脈沖頻率最高可達(dá)100 kHz。選取的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH2046M是采用高速單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采用商頻脈寬調(diào)制技術(shù)，具有噪音低、效率高、電壓范圍寬、設(shè)置靈活、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用86BYG402永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步距角為0.9°。完全可以滿足精確分度的要求。
如圖1所示，PLC的輸出端Yo(脈沖輸出)控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)均勻分度；PLC的輸出端Y�？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)分度的旋轉(zhuǎn)方向。PLC脈沖輸出端Y0、輸出端Yl的公共端COM0與PLC的24 V地COM相連。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)公共端OPTP與PLC的+24 V電源相連。PLC的脈沖輸出端Y0外接1.8 kfl的限流電阻連接至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端CP，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)分度。PLC的輸出點(diǎn)Y1。外接1.8 kΩ的限流電阻連接至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向輸入端DIR，用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)智能、自動(dòng)精確分度的硬件連接。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 撥碼開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)撥碼開關(guān)是將十進(jìn)制自動(dòng)轉(zhuǎn)換為8421BCD碼的編碼電路模塊。按動(dòng)“+”或“-”按鈕，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制數(shù)加1或減1，同時(shí)在相應(yīng)的DCBA輸出端產(chǎn)生8421BCD碼。
在此智能自動(dòng)分度控制系統(tǒng)中，采用兩位撥碼開關(guān)，根據(jù)工件分度位數(shù)，在2到99之間由用戶選擇直接輸入。軟件編程運(yùn)用FX1N系列PLC的數(shù)字開關(guān)指令FNC72。直接讀出撥碼開關(guān)所設(shè)置的數(shù)據(jù)。其指令示意圖如圖2所示。
圖2數(shù)字開關(guān)指令
3.2 PLC脈沖輸出控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
FX1N系列PLC的功能指令FNC57和FNC59，分別為脈沖輸出PLSY指令和可調(diào)脈沖輸出PLSR指令。指令示意如圖3、圖4所示。
由圖3可知，運(yùn)行PLSY指令可在PLC的輸出端Y0輸出設(shè)定數(shù)量和頻率的脈沖。操作數(shù)[S1·]用來(lái)設(shè)定脈沖頻率。操作數(shù)[S2·]用來(lái)設(shè)定輸出的脈沖個(gè)數(shù)。若設(shè)定脈沖數(shù)為0。則持續(xù)產(chǎn)生脈沖，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。操作數(shù)[D·]用來(lái)設(shè)定脈沖輸出元件，只可使用可編程序控制器的Y0或Y1。圖3中所示的指令是當(dāng)可編程序控制器PLC的輸入點(diǎn)X4有ON時(shí)，輸出端Yo輸出頻率l 000 Hz的脈沖，輸出脈沖的個(gè)數(shù)由通用數(shù)據(jù)寄存器Do中的數(shù)據(jù)確定。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有較高轉(zhuǎn)速時(shí)，需采用具有加減速功能的脈沖輸出指令PLSR來(lái)實(shí)現(xiàn)。加減速功能的脈沖輸出指令PLSR如圖4所示，其操作數(shù)[S1·]用來(lái)設(shè)定最高頻率；[S2·]用來(lái)設(shè)定輸出的脈沖個(gè)數(shù)；而操作數(shù)[S3·]是用于設(shè)定加減速時(shí)間(50—5 000m)；操作數(shù)[D·]設(shè)定脈沖輸出元件，對(duì)此系列可編程序控制器只能使用輸出端Y0或Y1。
圖5分廑程序漉程圈
3.3 分度控制軟件設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)分度系統(tǒng)的工作過程是：從原點(diǎn)開始。完成1個(gè)定位位的加工。使軸鎖緊電磁閥復(fù)位松開，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工件軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，實(shí)現(xiàn)下一分度定位；之后軸鎖緊電磁閥置位鎖緊，保持此分度定位固定不動(dòng)，以便進(jìn)行加工。根據(jù)設(shè)定撥碼開關(guān)輸入的分度數(shù)，依次在圓形工件的端面或圓周面完成要求均勻分布的分度位。軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)工作過程控制要求而設(shè)計(jì)，主要通過PLC實(shí)現(xiàn)定位控制及輸出脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分度，即對(duì)輸出口Y0的脈沖輸出功能進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。
由于選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.9°，即可編程序控制器PLC的脈沖輸出口Yo每輸出一個(gè)脈沖數(shù)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°，當(dāng)傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為N：1。其驅(qū)動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°／N角度。工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周即360。時(shí)k需要輸出的脈沖總數(shù)為360°÷0.9°／N。若需均勻分度位數(shù)為rt。則PLC的輸出口Y。需輸出0.9°／N÷n個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)一次分度。由于在n的取值范圍中，具有使表達(dá)式0.9°／N÷n存在余數(shù)的值。如果不對(duì)余數(shù)進(jìn)行科學(xué)處理，那么在最后一個(gè)分度位和第一個(gè)分度位之間必然產(chǎn)生累積誤差，從而影響分度精度。因此在輸出分度脈沖的編程設(shè)計(jì)中，每進(jìn)行一次分度．將余數(shù)累加一次；在下一個(gè)分度之前，先將累加值與撥碼開關(guān)設(shè)定值n進(jìn)行比較，當(dāng)累加值大于11,時(shí)。將累加值減去n，同時(shí)將輸出脈數(shù)加一后再進(jìn)行輸出分度；若累加值小于n值，Y0輸出原有脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行分度輸出，同時(shí)仍將余數(shù)累加一次。以此使均勻分度中任意相鄰兩分度位的誤差小于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)步距角。在加工工件上分度誤差不會(huì)超過0.9°／N度。其分度程序流程圖如圖5所示。
PLC通用數(shù)據(jù)寄存器D2中，讀入撥碼開關(guān)設(shè)定分度位數(shù)n；將整體需輸出的脈沖總數(shù)360°÷0.9°／N值，存人通用數(shù)據(jù)寄存器D0中；利用PIE的功能指令FNC23(除法指令DIV)進(jìn)行除法運(yùn)算。如圖6所示，其商送到通用數(shù)據(jù)寄存器D4，余數(shù)送到通用數(shù)據(jù)寄存器D5。余數(shù)的累加單元使用通用數(shù)據(jù)寄存器D6，它在開始分度之前處于清零的狀態(tài)。
圖6除法指令
4 結(jié)束語(yǔ)
此智能自動(dòng)分度控制系統(tǒng)，可用于加工汽車、拖拉機(jī)等零部件需均勻分度的機(jī)床上。以此構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)已用于精密鏜孔及感應(yīng)加熱中大齒輪的單齒淬火，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，完全滿足生產(chǎn)要求，使用效果良好。相關(guān)的《多用精巒數(shù)控機(jī)床自動(dòng)分度技術(shù)的研究》科研項(xiàng)目2008年通過河南省科技廳鑒定為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
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本文標(biāo)題：基于PLC的智能自動(dòng)分度控制技術(shù)
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