丁蘇赤，楊前坤

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

0 引言

校直機(jī)是針對各種軸類零件在熱處理過程中或切削加工后產(chǎn)生彎曲變形進(jìn)行處理的關(guān)鍵設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中被廣泛應(yīng)用的。國內(nèi)早期出現(xiàn)的校直機(jī)通常采用液壓缸驅(qū)動壓頭和手動控制模式，它在一定程度上滿足了當(dāng)時(shí)的軸類零件校直工藝要求。但這種壓力機(jī)也暴露出了人工成本高、勞動強(qiáng)度大、校直精度達(dá)不到所需的工藝要求以及生產(chǎn)效率低等缺陷，自動校直機(jī)的出現(xiàn)改善了這種狀況。目前，國產(chǎn)自動校直機(jī)自動控制系統(tǒng)常采用的硬件結(jié)構(gòu)有兩種:PLC+觸摸屏和工控機(jī)+PLC。前者的控制結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，但難以實(shí)現(xiàn)較多品種、較多測量通道和較復(fù)雜工藝的校直加工。后者常采用主從控制結(jié)構(gòu)。在這種系統(tǒng)中工控機(jī)(主機(jī))中常加裝數(shù)據(jù)采集卡完成多通道的高速數(shù)據(jù)采集，利用工控機(jī)強(qiáng)大的軟件平臺和存儲能力實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的校直決策，但這種控制系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高。因此，設(shè)計(jì)一種成本較低、工作穩(wěn)定可靠、符合校直機(jī)性能要求的控制系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義。

本文在現(xiàn)有自動校直機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于S7-1200PLC 的主從控制方案。這種方案中的PLC(從機(jī))采用帶有集成運(yùn)動控制功能的Siemens S7-1200 系列PLC，在保證校直工藝要求的前提下，舍棄了大多數(shù)自動校直機(jī)中對電機(jī)運(yùn)動控制所使用的運(yùn)動控制卡或PLC 運(yùn)動控制模塊;工控機(jī)(主機(jī))為一臺裝有數(shù)據(jù)采集卡的工業(yè)PC 機(jī)，同時(shí)主機(jī)帶有access數(shù)據(jù)庫可以批量存儲不同工件的校直參數(shù)。

1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 自動校直機(jī)對控制系統(tǒng)的基本要求

(1)能夠?qū)崿F(xiàn)自動校直機(jī)的工作臺、夾頭位置控制;

(2)能夠快速采集多個通道的位移傳感器位移值，并使每一通道的位移數(shù)組的索引與該數(shù)據(jù)的角度值存在對應(yīng)關(guān)系。

(3)根據(jù)校直工藝要求，可以實(shí)現(xiàn)校直時(shí)升起任意砧座。

(4)能夠計(jì)算出工件的校直位置和校直量，在校直過程中可以檢測壓頭的位移值，并可根據(jù)壓頭的位移對壓頭的速度進(jìn)行控制。

(5)針對不同的產(chǎn)品，可以調(diào)整測量架位置和溢流閥壓力值。

1.2 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

為滿足控制系統(tǒng)的要求，該自動校直機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由S7-1200 系列PLC、工作臺和夾頭伺服驅(qū)動系統(tǒng)、壓頭液壓驅(qū)動系統(tǒng)、工業(yè)PC 機(jī)及數(shù)據(jù)采集板卡及相關(guān)電路等構(gòu)成［1］，如圖1 所示。作為系統(tǒng)從站的S7-1200 系列PLC 主要進(jìn)行對工作臺、夾頭、砧座、壓頭等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及對位移、壓力傳感器檢測值的處理等。作為系統(tǒng)主站的工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡主要承擔(dān)工件校直參數(shù)的存儲、多通道傳感器的數(shù)據(jù)采集以及校直工藝參數(shù)的處理等。

圖1 校直機(jī)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

工件夾頭和工作臺伺服電機(jī)的控制:通常自動校直機(jī)上檢測工件的轉(zhuǎn)動和工作臺的位置調(diào)整采用位置控制方式。在該控制系統(tǒng)中，使用了SIEMENS S7-1200 系列PLC 的CPU 1214 DC/DC/DC 單元。該單元上的Q0.O、Q0.1 與Q0.2 、Q0.3 可以分別提供兩組脈沖和脈沖方向信號，并可以定義兩個開關(guān)量輸出端子作為伺服電機(jī)使能(SRV_Enable)信號。這兩組信號可以滿足兩臺伺服電機(jī)的位置控制。伺服電機(jī)驅(qū)動器上的其他開關(guān)量輸入/輸出信號可以直接與PLC 的開關(guān)量輸出/輸出端子連接。

壓頭的校直過程控制:該系統(tǒng)中的校直壓頭采用一套獨(dú)立的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。壓頭的校直過程采用閉環(huán)速度控制模式。該系統(tǒng)中使用了一塊PLC 模擬量輸入/輸出單元。使用該單元的模擬量輸出控制比例流量閥的開度，對壓頭的速度進(jìn)行調(diào)整;使用該模塊的模擬量輸入采集壓頭位移傳感器的位移信號。在校直過程中，PLC 中的壓頭控制程序可以根據(jù)壓頭的當(dāng)前位置對壓頭的速度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)壓頭校直過程控制。

多位移傳感器的數(shù)據(jù)采集:在系統(tǒng)采用NI 公司的PCI－6221 數(shù)據(jù)采集卡和RDP 公司的DCTH 系列位移傳感器，使用安裝在從動端夾緊部件上的編碼器的脈沖輸出信號作為外部時(shí)鐘觸發(fā)信號進(jìn)行各截面的跳動量數(shù)據(jù)采集。這種測量方案可以完成多通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集，各檢測通道跳動量數(shù)組的索引值與其角度值相對應(yīng)。

1.3 控制系統(tǒng)硬件的特點(diǎn)

本文提出用PLC 直接控制電機(jī)，并用PC 機(jī)來監(jiān)測和處理數(shù)據(jù)。這種主從方式具有以下優(yōu)點(diǎn):①成本低:節(jié)約控制電機(jī)運(yùn)動的附加硬件模塊。②良好的通訊:主從機(jī)之間采用網(wǎng)線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100Mbps。③精度較高:采用了精度較高的數(shù)據(jù)采集卡，工件運(yùn)動采用伺服控制系統(tǒng)，壓頭速度通過PID 調(diào)節(jié)。

2 控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

這種采用主從結(jié)構(gòu)的校直機(jī)的軟件架構(gòu)主要以下幾部分組成:控制校直機(jī)各機(jī)構(gòu)動作的從站(PLC)程序;校直決策、數(shù)據(jù)保存、系統(tǒng)監(jiān)控和與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的主站(PC)程序。

2.1 自動校直機(jī)的控制流程

圖2 所示為校直機(jī)工藝流程圖，具體表述如下，其中(3)到(7)步包含了各部件運(yùn)動過程中的故障處理:

(1)系統(tǒng)上電初始化，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送產(chǎn)品參數(shù)，選擇工作模式。

(2)若選擇手動模式，根據(jù)主機(jī)命令從機(jī)執(zhí)行控制動作，完成后返回。

(3)若選擇自動模式，電機(jī)、氣缸等進(jìn)行原位檢測，不在原位的進(jìn)行回原位操作。

(4)回原位后，裝載工件并啟動左右氣缸夾緊。

(5)夾緊完成，對工件校直參數(shù)進(jìn)行檢測。

(6)檢測完成后，主機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)利用專門的校直工藝處理程序，將處理結(jié)果(是否需要校直，工件校直位置、校直量等)通過以太網(wǎng)發(fā)送給從機(jī)。

(7)若無需校直或校直完成，壓頭、工作臺等回原位，卸載工件，返回到步驟(4)進(jìn)行下一個工件的裝載。若需校直，進(jìn)行校直處理。

(8)一次校直完成，返回步驟(5)再對工件進(jìn)行校直參數(shù)檢測，判斷是否需要再校直。

圖2 校直機(jī)工藝流程

對伺服電機(jī)的運(yùn)動控制采用的是運(yùn)動控制指令，這些指令是隸屬于 PLCopen 指令集。S7-1200PLC 支持對步進(jìn)電機(jī)和伺服驅(qū)動器進(jìn)行開環(huán)速度控制和位置控制［2-3］。通過組態(tài)軸工藝對象和使用通用的PLCopen 運(yùn)行功能塊(包含在工程組態(tài)系統(tǒng)SIMATIC STEP 7 Basic 中)即可實(shí)現(xiàn)。所謂軸工藝對象是指用戶程序與驅(qū)動器的接口，本系統(tǒng)的軸工藝對象有兩個，即S7-1200 PLC 程序與伺服驅(qū)動器1、伺服驅(qū)動器2 的接口。

2.2 軟件框架

圖3 所示為主從機(jī)系統(tǒng)程序的功能塊架構(gòu)。從機(jī)S7-1200PLC 程序有五部分組成。系統(tǒng)初始化程序:包括初次掃描、產(chǎn)品型號選擇、工作模式選擇、運(yùn)動機(jī)構(gòu)原位檢測等。手動調(diào)試程序:包括伺服電機(jī)、氣缸、砧座等的運(yùn)動控制。故障處理程序:包括伺服電機(jī)、氣缸、壓頭、砧座等的運(yùn)動故障處理。校直檢測程序:包括裝卸工件、參數(shù)檢測以及等待校直決策等。校直程序:對需要校直的工件進(jìn)行校直處理。

圖3 主從機(jī)軟件基本功能

主機(jī)客戶端程序是用C#語言開發(fā)出兩個人機(jī)界面［4-5］。手動調(diào)試界面:包含啟動、停止、前進(jìn)、后退等按鈕，分別控制伺服電機(jī)的各個運(yùn)動狀態(tài)以及顯示測量架位置、溢流閥的壓力值等。自動校直界面:包含檢測傳感器控件、校直工藝處理框、運(yùn)行狀態(tài)指示燈等。

2.3 系統(tǒng)中主站與從站的通訊

目前大多數(shù)校直機(jī)的主機(jī)采用的是基于串口通信的觸摸屏。為了提高通訊性能，本系統(tǒng)利用Siemens 公司提供的Siematic Net 和S7-1200 標(biāo)配Profinet 端口，實(shí)現(xiàn)了主從站之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信［6-8］。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文提出的基于S7-1200PLC 的校直機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)用于實(shí)際產(chǎn)品(如圖4)。

圖4 校直機(jī)現(xiàn)場調(diào)試圖

從現(xiàn)場的調(diào)試結(jié)果來看，這種控制系統(tǒng)符合自動校直機(jī)的性能要求，該校直機(jī)的部分參數(shù)見表1。

表1 校直機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)結(jié)合了目前校直機(jī)行業(yè)的實(shí)際情況。為了降低成本且滿足校直機(jī)性能要求，本文從硬件結(jié)構(gòu)，軟件架構(gòu)等方面做了深入分析。這種設(shè)計(jì)在實(shí)際的校直機(jī)研發(fā)中得到很好驗(yàn)證，符合針對小批量、多品種工件的校直機(jī)性能要求，因此本文提出的

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對校直機(jī)行業(yè)具有一定的實(shí)際意義。

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