蔣　玲　柯　勇　萬鸞飛　王　浩　李　寧（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院　安徽蕪湖　241006）

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PLC伺服控制在實訓(xùn)裝配設(shè)備中的應(yīng)用

蔣玲柯勇萬鸞飛王浩李寧
（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院安徽蕪湖241006）

摘要：為了達(dá)到模擬生產(chǎn)性功能和整合學(xué)習(xí)功能的目標(biāo)，給學(xué)生提供一個與生產(chǎn)情況接近的教學(xué)設(shè)備環(huán)境，設(shè)計一種采用PLC伺服控制的實訓(xùn)裝配設(shè)備，搭建由PLC、伺服電動機(jī)及驅(qū)動器構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)，系統(tǒng)PLC程序采用順序控制進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動系統(tǒng)對實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合控制。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動控制；PLC；裝配設(shè)備；硬件設(shè)計；流程圖

伺服驅(qū)動系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，它綜合了伺服電動機(jī)、角位移傳感器和伺服驅(qū)動控制器的最新成就，與采用新型電力電子器件、專用集成電路和新的控制算法的交流伺服驅(qū)動器相匹配，組成新型高性能機(jī)電一體化產(chǎn)品。這種系統(tǒng)以僅僅數(shù)年的成長期迅速進(jìn)入鼎盛階段，在工業(yè)自動化領(lǐng)域及現(xiàn)代軍事裝備中獲得了越來越多的應(yīng)用，伺服控制系統(tǒng)逐漸成為工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動源。[1][2]因此，培養(yǎng)掌握現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，能熟練運(yùn)用伺服驅(qū)動控制技術(shù)的畢業(yè)生，是企業(yè)、社會對高職院校提出的要求。為此,本文針對實訓(xùn)裝配裝置的控制需求,采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)，讓學(xué)生在完成相關(guān)實訓(xùn)任務(wù)的過程中，掌握伺服驅(qū)動控制技術(shù)。

一、實訓(xùn)裝配設(shè)備的系統(tǒng)組成及控制要求

（一）裝配實訓(xùn)設(shè)備的系統(tǒng)組成。裝配實訓(xùn)設(shè)備主要由供料機(jī)構(gòu)，裝配、沖壓機(jī)構(gòu)，磁性開關(guān)、傳感器等檢測元件，氣動控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，各部分協(xié)調(diào)運(yùn)作，實現(xiàn)工件裝配緊固的功能。其中伺服驅(qū)動系統(tǒng)用于控制工作臺旋轉(zhuǎn)的。

（二）實訓(xùn)裝配設(shè)備的控制要求。根據(jù)實訓(xùn)裝配設(shè)備的工藝要求，其控制系統(tǒng)的控制要求為：

1.接通電源和氣源后，系統(tǒng)首先進(jìn)行復(fù)位操作，使自動回到原點狀態(tài)，若滿足則相應(yīng)的信號指示，允許運(yùn)行。

2.滿足運(yùn)行條件方可啟動設(shè)備，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)按加工工藝過程運(yùn)行。

3.系統(tǒng)在工作過程中，若給出停止指令，將當(dāng)前工作周期的最后一步結(jié)束后方可停止工作。

4.設(shè)備設(shè)有急停功能。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計

（一）裝配裝置中伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計。伺服驅(qū)動系統(tǒng)由主令控制與檢測單元、伺服電動機(jī)、伺服驅(qū)動器、控制器、光電編碼器及等構(gòu)成。[3]其框圖如圖1所示。

圖1　伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置控制組成框圖

1.伺服電動機(jī)及驅(qū)動器的選型。選擇合適的伺服電動機(jī)及驅(qū)動器，是伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。伺服電機(jī)的選擇，要考慮到負(fù)載機(jī)構(gòu)，動作模式，負(fù)載速度，定位精度，使用環(huán)境等因素，選擇電機(jī)的容量，額定轉(zhuǎn)速，額定扭矩及最大扭矩，轉(zhuǎn)子慣量，是否需要剎車，體積、質(zhì)量、尺寸等。選擇好了伺服電動機(jī)之后，可以根據(jù)所選的伺服電動機(jī)選擇對應(yīng)的伺服驅(qū)動器。

本設(shè)計選用Omron-歐姆龍通用SMARTSTEP2系列AC伺服系統(tǒng)即選用R88M-G20030H-Z伺服電動機(jī)和R7D-BP02HH-Z伺服電動機(jī)驅(qū)動器。該配置伺服電機(jī)為圓柱型無制動器電機(jī)，容量為200W,額定轉(zhuǎn)速為3000rpm,施加電壓為AC200V（增量型）。AC伺服驅(qū)動器為脈沖串輸入型，電源電壓為單相AC200V，適用電機(jī)容量為200W。能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。[4]在伺服電動機(jī)的輸出軸上直接連接一個編碼器，該編碼器將伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動角位移的信號傳送給伺服驅(qū)動器，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。

2.控制器的選型。運(yùn)動控制器用于伺服系統(tǒng)產(chǎn)生高速脈沖信號。本設(shè)計選用三菱FX2N-48MT晶體管輸出型PLC作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制器，晶體管輸出型PLC的Y0、Y1輸出端口可以產(chǎn)生高頻率脈沖信號。

在這個伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)中，伺服電動機(jī)作為執(zhí)行元件。PLC為控制器。PLC發(fā)出的控制信號經(jīng)伺服驅(qū)動器放大后驅(qū)動伺服電動機(jī)，伺服電動機(jī)將接收到的控制信號轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出，從而帶動負(fù)載運(yùn)行。改變脈沖信號的極性和大小，便可改變伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。所以利用PLC輸出脈沖的頻率及個數(shù)來控制運(yùn)動機(jī)構(gòu)——工作臺的運(yùn)動速度和旋轉(zhuǎn)角度。[3][5]

3.伺服驅(qū)動系統(tǒng)的外部接線及參數(shù)設(shè)置。

（1）伺服驅(qū)動系統(tǒng)的外部接線。由文獻(xiàn)[4]，AC伺服驅(qū)動器各端口定義，輸入輸出信號（CN1）各引腳功能，設(shè)計在位置控制方式下，采用伺服驅(qū)動器采用脈沖串加脈沖信號的方式接受脈沖輸入，伺服驅(qū)動系統(tǒng)的外部接線如圖2所示,按照接線圖進(jìn)行接線。

圖2　伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件接線圖

（2）伺服驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。打開PC中的CX-Drive伺服驅(qū)動器編程軟件，按照表1設(shè)置伺服參數(shù)，然后下載到伺服驅(qū)動器中。

表1　伺服參數(shù)設(shè)置

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計。本設(shè)計中，AC伺服驅(qū)動器指令脈沖輸入為PULS/SIGN（單脈沖輸入方式）即脈沖信號+脈沖方向。[5]三菱FX2N-48MT PLC可以產(chǎn)生高速脈沖輸出，常用的高速脈沖輸出指令為脈沖輸出指令PLSY和可調(diào)速的脈沖輸出指令PLSR。利用PLC的Y0輸出的高速脈沖，輸入到驅(qū)動器的23號端子（PULS），另外，通過方向信號Y1控制驅(qū)動器的（SIGN）。以旋轉(zhuǎn)工作臺的原點作為參考點，圓臺順時針轉(zhuǎn)動，方向信號Y1為OFF，反之，方向信號為ON。

PLC程序設(shè)計流程圖如圖3所示，編寫PLC程序并下載到PLC中進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

圖3　系統(tǒng)控制流程圖

從流程圖可知，從入料區(qū)至裝配區(qū)，裝配區(qū)至沖壓區(qū)，從沖壓區(qū)回到工作臺原點，這三個步的PLC程序都要用到定位控制，其中從入料區(qū)至裝配區(qū)，裝配區(qū)至沖壓區(qū)，這兩個工作步，PLC輸出端口產(chǎn)生指定的脈沖個數(shù)時，脈沖輸出自動停止，伺服電動機(jī)也立即停止運(yùn)行，此時脈沖執(zhí)行完成標(biāo)志位特殊輔助繼電器M8029置1。而從沖壓區(qū)回到工作臺原點的控制過程中，其位控編程則采取的是讓PLC連續(xù)輸出脈沖信號，在到達(dá)原點位置時，強(qiáng)制使脈沖輸出指令停止執(zhí)行。下面列出從入料區(qū)至裝配區(qū)運(yùn)行程序段圖4和從旋轉(zhuǎn)工作臺任意位置向原點回歸的程序段圖5。

圖4　從入料區(qū)至裝配區(qū)運(yùn)行程序段

當(dāng)S22為活動步時，Y0開始輸出頻率為10000HZ的脈沖信號，其脈沖個數(shù)為44000個（這個數(shù)值需要通過計算伺服驅(qū)動器的電子齒輪比和現(xiàn)場調(diào)試測定）。由于44000已經(jīng)超出了PLSY是個16位指令，而44000個脈沖個數(shù)已經(jīng)超出了三菱PLC16位指令的數(shù)據(jù)處理范圍，所以應(yīng)在PLSY指令前面加上D,使得PLSY指令變成32位指令。PLC輸出設(shè)定的44000個脈沖后，脈沖輸出停止，伺服電機(jī)停止運(yùn)行，達(dá)到定位的目的。當(dāng)設(shè)定的脈沖結(jié)束后，執(zhí)行完成標(biāo)志M8029動作，激活下一步S23。

圖5　回原點過程中的PLC定位控制程序段

當(dāng)S26為活動步時，Y0開始輸出頻率為8000HZ的脈沖，其脈沖個數(shù)為88888個（此脈沖個數(shù)的設(shè)定要保證在達(dá)到原點前，伺服電機(jī)能夠連續(xù)運(yùn)行）。當(dāng)伺服電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)工作臺至原點X0處，X0的常閉觸點斷開，輸出中斷，Y0也斷開，即強(qiáng)制停止輸出脈沖。所以在返回原點的PLC程序設(shè)計時，為了保證可靠地回到原點和運(yùn)行速度一般要慢一些，所以設(shè)定頻率要稍微低一些，并且用外部硬件的原點開關(guān)提供的信號使得脈沖輸出強(qiáng)制性停止。

PLC軟件程序是伺服驅(qū)動控制的關(guān)鍵，在進(jìn)行裝配系統(tǒng)實訓(xùn)時，學(xué)生可以在線調(diào)整脈沖個數(shù)和脈沖頻率，很直觀地看到改變頻率和脈沖個數(shù)分別對旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)動的角度大小產(chǎn)生的影響。為了對系統(tǒng)更好地保護(hù)，在系統(tǒng)開始運(yùn)行，需要對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行檢測，當(dāng)裝配實訓(xùn)系統(tǒng)不滿足系統(tǒng)運(yùn)行條件即不在初始位置時，系統(tǒng)是不允許運(yùn)行的。這種情況下，為了操作方便,在自動程序運(yùn)行的基礎(chǔ)上增設(shè)自動復(fù)位程序,可以通過PLC程序使系統(tǒng)自動返回原點，從而滿足運(yùn)行條件。只有在硬件滿足運(yùn)行條件后，系統(tǒng)方可運(yùn)行。

三、結(jié)語

PLC伺服驅(qū)動控制的實訓(xùn)裝配設(shè)備，可以為學(xué)生提供一個與實際生產(chǎn)情況十分接近的教學(xué)設(shè)備環(huán)境，該設(shè)備從2010年開始使用，5年來結(jié)果表明，使得學(xué)生在完成裝配控制任務(wù)的過程中，掌握了伺服驅(qū)動控制技術(shù)，大大縮短了學(xué)生綜合實踐能力與企業(yè)實際需求之間的距離。該實訓(xùn)設(shè)備的使用可以更好地開展任務(wù)驅(qū)動教學(xué)做一體的教學(xué)活動，[6][7]為其他職業(yè)院校的實訓(xùn)教學(xué)提供很好的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖永清.談工業(yè)控制電氣伺服驅(qū)動技術(shù)及其發(fā)展[J].機(jī)床電器，2012(5):4-9.

[2]袁學(xué)軍.基于三菱PLC控制的交流伺服電動機(jī)位置控制系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2013(14):63.

[3]李全利.PLC運(yùn)動控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計與實踐（三菱）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014:38-40.

[4]歐姆龍自動化（中國）有限公司.SmartStep2Catalog SBCE-C-051B.上海:31-33.

[5]叢明，劉冬，杜宇，等.PLC伺服控制在太陽能電池組件搬運(yùn)機(jī)械手中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2011 (9):66-69.

[6]中國.亞龍科技集團(tuán).自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試（三菱FX系列）[M].北京：中國鐵道出版社，2010:2.

[7]蔣玲.步進(jìn)驅(qū)動控制技術(shù)在加工實訓(xùn)裝置中的應(yīng)用[J].雞西大學(xué)學(xué)報，2015(3):23-25.

[責(zé)任編輯鄭麗娟]

基金項目：安徽省教育廳2014年高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目(2014jyxm748)；2014年省級質(zhì)量工程項目（2014jyxm475）。

作者簡介：蔣玲（1974-），女，安徽桐城人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院副教授，碩士，研究方向：PLC及自動控制方面的教學(xué)和研究工作。

收稿日期：2015-05-04

中圖分類號：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-0438（2016）03-0138-03