鄒波

(1.成都重型軸承研究所，成都 610031；2.成都科華重型軸承有限公司，成都 610300)

為了提高機(jī)床設(shè)備精度和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，PLC和伺服系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用于各種數(shù)控機(jī)床和轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)精確的位置和速度控制。其中位置控制的精度主要取決于伺服控制器及運(yùn)動(dòng)控制器的精度。下文通過(guò)一個(gè)高精度定位加工用轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，討論了采用PLC和伺服系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行精確的旋轉(zhuǎn)控制，以及對(duì)傳動(dòng)桿的直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制的方法，同時(shí)，考慮到傳動(dòng)中的累積誤差，采用周期的位置檢查進(jìn)行調(diào)整。如何采用PLC進(jìn)行精確的位置控制并讓兩軸協(xié)調(diào)運(yùn)作是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 控制系統(tǒng)及原理

高精度定位加工用凸輪分度轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)通過(guò)定位模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸的控制。根據(jù)運(yùn)行的要求，基本控制模式為：由伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪每旋轉(zhuǎn)一周帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，到達(dá)指定位置后凸輪停止動(dòng)作，此時(shí)，上方傳動(dòng)桿落至指定位置后對(duì)工件進(jìn)行加工，加工完成后傳動(dòng)桿上升至原位，凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至下一加工位置。

圖1 高精度定位加工用凸輪分度轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

從運(yùn)動(dòng)時(shí)序看，由于系統(tǒng)采用凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，同時(shí)與上方傳動(dòng)桿交替運(yùn)動(dòng)的方式，因此，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由1個(gè)PLC及定位模塊和2個(gè)伺服控制模塊組成。控制原理為：由PLC控制定位模塊輸出，由QD70P4采用脈沖和方向控制的方式，通過(guò)2個(gè)伺服控制器分別驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)；兩個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的配合動(dòng)作、協(xié)調(diào)工作由PLC完成。

為實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，差錯(cuò)控制方面通過(guò)檢測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)器上差分輸出的方式實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制；同時(shí)考慮到系統(tǒng)保護(hù)，在固定的周期通過(guò)凸輪上的感應(yīng)開(kāi)關(guān)檢驗(yàn)是否超過(guò)行程，形成轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的再次校驗(yàn)；傳動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)則通過(guò)限位開(kāi)關(guān)形成再次的校驗(yàn)系統(tǒng)。控制系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。該系統(tǒng)采用高速脈沖控制，上位機(jī)采用三菱PLC Q02，并用RS232與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接；采用QD70P4定位模塊進(jìn)行位置控制，該模塊在多軸系統(tǒng)中可以進(jìn)行4軸控制輸出，并實(shí)現(xiàn)位置及速度控制，實(shí)際采用了2軸控制輸出的方式，分別控制凸輪和傳動(dòng)桿；伺服控制器采用MR-J2S，可以使用脈沖加方向的輸入方式及RS232和RS422的通信方式。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

由于定位模塊QD70P4采用開(kāi)環(huán)脈沖輸出(4軸開(kāi)路集電極輸出型)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)中的伺服電動(dòng)機(jī)和伺服控制器進(jìn)行監(jiān)控，故使用PLC檢測(cè)伺服控制的差分輸出信號(hào)，并用軟件進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。因?yàn)樵O(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，為提供系統(tǒng)保護(hù)，采用周期性的外部檢測(cè)方式，并傳遞給PLC校正。

3 程序設(shè)計(jì)

由于采用脈沖控制伺服驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)行程所需的脈沖數(shù)為：一次移動(dòng)所需脈沖數(shù)n=指定距離×電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需脈沖數(shù)÷電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)負(fù)載移動(dòng)量。

設(shè)計(jì)中使用了實(shí)用程序包GX Configurator-PT1，對(duì)要運(yùn)行QD70的軸逐個(gè)進(jìn)行初始化設(shè)置。QD70實(shí)用程序包GX Configurator-PT為無(wú)需考慮I/O信號(hào)和緩沖存儲(chǔ)器即可使用專(zhuān)用屏幕進(jìn)行QD70的初始化設(shè)置、自動(dòng)刷新設(shè)置監(jiān)視和其他功能的專(zhuān)用軟件，作為開(kāi)發(fā)的內(nèi)置軟件，該程序包需要和GX Developer同時(shí)使用。

控制伺服電動(dòng)機(jī)位置控制程序如下：

LD X0

OUT Y0

ANI M8

DMOVP K6000 U0G804；6 000

脈沖/秒

MOVP K1500 U0G802；ACC/DCE

1 500 ms

MOVP K1500 U0G803

DMOVP K25000 U0G806；設(shè)置單向

行程

LD X0

ANDP M9

MOVP K3 U0G801；設(shè)置正向

速度位置控制

SET M8

MOVP K1 U0G800；設(shè)置連續(xù)定位

控制

在質(zhì)量合格的產(chǎn)品進(jìn)入加工環(huán)節(jié)后，汪記在產(chǎn)品的每個(gè)階段也都制定著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚰安僮饕?guī)程，各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照要求組織生產(chǎn)。生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)立質(zhì)檢監(jiān)督崗位，對(duì)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的操作進(jìn)行抽查驗(yàn)證，同時(shí)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)工序環(huán)節(jié)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控廠區(qū)生產(chǎn)操作，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)監(jiān)控全覆蓋、無(wú)盲區(qū)。

LD X0

ANI X8

ANDP M19

MOVP K4 U0G801；設(shè)置反向

速度位置控制(軸1不需要反向運(yùn)行)

SET M8

MOVP K1 U0G800；設(shè)置連續(xù)

定位控制

LD X0

ANDP X18；檢測(cè)行程是否完成

RST M8

MOVP K0 U0G800；設(shè)置定位終止

LD M8

ANI X1；軸1出錯(cuò)警報(bào)

ANI X18

OUT Y8；設(shè)置軸1的啟動(dòng)信號(hào)

END

上段程序中通過(guò)地址801設(shè)置進(jìn)行正反控制，通過(guò)X1對(duì)軸進(jìn)行監(jiān)視；速度控制用804進(jìn)行設(shè)置；行程完成后檢測(cè)X18，使軸1停止；在設(shè)置完成后，使啟動(dòng)信號(hào)Y8變成ON以從QD70把脈沖輸出到驅(qū)動(dòng)裝置。

此處兩軸交替運(yùn)行，通過(guò)設(shè)置M9和M19來(lái)切換運(yùn)行。從時(shí)序上可知，軸2在軸1停止之后啟動(dòng)，而軸2停止后軸1再進(jìn)行下一段運(yùn)行，對(duì)于需要兩軸同時(shí)運(yùn)行的場(chǎng)合，可以先設(shè)置好運(yùn)行參數(shù)，再同時(shí)啟動(dòng)Y8和Y9。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用PLC高速脈沖控制伺服驅(qū)動(dòng)的方式簡(jiǎn)單，硬件成本較低，系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)和控制方法，可廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)臺(tái)及直線運(yùn)動(dòng)的精確位置控制和速度控制，或需要進(jìn)行各運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作的情況，該控制方式可做為類(lèi)似系統(tǒng)控制方法的參考。