張今朝, 朱海燕, 呂健璐, 錢蘇翔, 雷曉鈞

(1. 嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2. 常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張今朝1, 朱海燕1, 呂健璐2, 錢蘇翔1, 雷曉鈞1

(1. 嘉興學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001；2. 常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

針對(duì)自主研發(fā)的電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)平臺(tái)及電氣主回路，采用三菱Fx1s PLC作為拋光機(jī)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)子夾具、可調(diào)滑臺(tái)、拋光電機(jī)及吸塵器等執(zhí)行元件進(jìn)行控制；最后設(shè)計(jì)了觸摸屏及操作界面。成套設(shè)備已應(yīng)用于工程實(shí)踐。

轉(zhuǎn)子拋光； 控制系統(tǒng)； 可編程控制器

0 引 言

異步電機(jī)籠型轉(zhuǎn)子為鑄鋁件，由于硅鋼片和鑄鋁硬度不一樣，所以在車削加工中，硅鋼片和鑄鋁接觸的地方會(huì)產(chǎn)生鋁須毛刺。這些毛刺會(huì)增加電機(jī)雜散損耗，而且這種毛刺很難通過(guò)改良刀具和優(yōu)化加工參數(shù)的方法來(lái)徹底消除。若通過(guò)一定工藝進(jìn)行處理后，如使毛刺減少、片間粘連得到有效控制，大部分情況下轉(zhuǎn)子外圓特殊處理后雜耗占輸入功率有一定幅度的降低，平均降低附加損耗0.4%[1]。

文獻(xiàn)[2]研發(fā)了一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子酸洗機(jī)，利用酸洗工藝消除轉(zhuǎn)子的鋁須毛刺，降低了電機(jī)的雜散損耗。但這種方法涉及到加工過(guò)程中對(duì)酸液腐蝕的處理問(wèn)題，比較繁瑣和不便。

本文設(shè)計(jì)了一款半自動(dòng)化電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)整機(jī)，并采用PLC設(shè)現(xiàn)了加工過(guò)程控制，成套設(shè)備已投入實(shí)際應(yīng)用。

1 拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制要求

本設(shè)計(jì)的成套電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)設(shè)備，主要功能是采用人工上料和PLC自動(dòng)化拋光相結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行表面拋光處理。該設(shè)備組成如圖1所示[3]，主要由電源、轉(zhuǎn)子夾具及滑臺(tái)、電控柜、光幕、拋光倉(cāng)、吸塵器、拋光設(shè)備、加工倉(cāng)門氣缸、人機(jī)界面及操作按扭等組成。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)實(shí)物圖

其中，轉(zhuǎn)子夾具可人工安裝(待加工轉(zhuǎn)子)或拆卸(已加工轉(zhuǎn)子)，滑臺(tái)可將加工件送入(出)拋光倉(cāng)，倉(cāng)門開(kāi)閉由光幕信號(hào)感知；拋光設(shè)備由2臺(tái)拋光電機(jī)協(xié)調(diào)組合，電機(jī)軸與徑向可調(diào)的鋼絲輪同軸，鋼絲輪外圍帶鋼絲刷，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲刷對(duì)轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行拋光打磨。拋光滑臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)拋光情況對(duì)鋼絲輪進(jìn)行徑向調(diào)節(jié)，對(duì)鋼絲刷和轉(zhuǎn)子間施以不同拋光壓力，提高拋光效果。拋光過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑等微粒通過(guò)吸塵器排出拋光倉(cāng)。通過(guò)放大10倍顯示轉(zhuǎn)子硅鋼片間隙圖像，實(shí)時(shí)觀測(cè)拋光效果。具體拋光流程及電氣接線見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。

2 選型及斷電保護(hù)問(wèn)題

三菱PLC可運(yùn)用在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制中[4-8]，本系統(tǒng)選擇了三菱Fx1s，其優(yōu)勢(shì)在于離散控制和運(yùn)動(dòng)控制，有豐富的控制指令，還有專門用于運(yùn)動(dòng)控制的定位指令，伺服和步進(jìn)控制方便實(shí)現(xiàn)。

編寫程序要盡量滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，要最大限度的簡(jiǎn)化程序，特別注意程序的安全保護(hù)：急停裝置、互鎖保護(hù)、防誤操作等。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程示意

2. 1 I/O口分配

I/O分配是程序編輯前的重要步驟，明確的I/O分配表可減少程序設(shè)計(jì)帶來(lái)的修改。I/O口主要關(guān)系到輸入輸出元件的關(guān)系。根據(jù)輸入輸出的要求和特性，可以寫出I/O分配表如表1所示。

表1 I/O分配表

2. 2 氣缸控制

控制氣缸主要是控制電磁閥的通、斷電，進(jìn)而改變壓縮空氣與氣缸的接入狀態(tài)。電磁閥通電時(shí)，閥芯接通壓縮空氣和氣缸，氣缸按照設(shè)定的方向運(yùn)動(dòng)，故氣缸的控制可以按照繼電器和接觸器的通斷控制方法。在雙作用的氣缸中，必須保證只能是單個(gè)氣缸接通壓縮空氣，兩個(gè)氣缸同時(shí)接入不能工作，在程序編輯時(shí)需要加入互鎖步驟保證安全。

單作用氣缸的控制如點(diǎn)動(dòng)控制或自鎖電路，單作用氣缸控制如圖3所示。具體是把Y0常開(kāi)輔助觸點(diǎn)與起動(dòng)按鈕X0并聯(lián)，當(dāng)?shù)玫狡饎?dòng)按鈕X0的信號(hào)后Y0輔助觸點(diǎn)閉合，進(jìn)行狀態(tài)保持，此時(shí)再松開(kāi)起動(dòng)按鈕X0，Y0也不會(huì)斷開(kāi)，當(dāng)停止按鈕X1斷開(kāi)時(shí)，Y0斷電常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，起到停止作用。雙作用氣缸中需要加入互鎖開(kāi)關(guān)，其互鎖的意思是兩個(gè)開(kāi)關(guān)不能同時(shí)打開(kāi)，即將A回路串聯(lián)B回路的常閉輔助觸點(diǎn)，將B回路串聯(lián)A回路的常開(kāi)輔助觸點(diǎn)，兩個(gè)控制回路起到相互制約的目的。

圖3 氣缸控制

線圈的自鎖和互鎖電路不僅用于氣缸控制回路，還可以直接運(yùn)用于異步電機(jī)的通斷。由于異步電機(jī)只需接通和斷開(kāi)交流電源就能控制電機(jī)的起動(dòng)和停止過(guò)程，故可將自鎖和互鎖電路直接用于異步電機(jī)控制電路。

2. 3 步進(jìn)電機(jī)控制

本拋光機(jī)的步進(jìn)電機(jī)使用脈沖控制法，即PLC發(fā)出一個(gè)脈沖,步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。使用PLC的高速脈沖輸出連續(xù)的脈沖信號(hào)就可讓步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，變化的脈沖頻率起到調(diào)速的目的，定量的脈沖數(shù)目用來(lái)定位。

直接起動(dòng)的單向定量脈沖輸出[PLSY]，用來(lái)產(chǎn)生指定數(shù)量和頻率的脈沖。該指令可以直接調(diào)用，調(diào)用方式如圖4所示。

圖4 PLCY指令調(diào)用方式和輸出波形

在X0為ON 時(shí)，Y0輸出頻率為1 000 Hz，個(gè)數(shù)由D0指定，當(dāng)輸出脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到設(shè)定值D0時(shí)，脈沖停止輸出，執(zhí)行結(jié)束的脈沖標(biāo)志位M8029動(dòng)作，M8029動(dòng)作可作為下一程序的觸發(fā)標(biāo)志。由圖5可得輸出的脈沖占空比為50，且輸出控制不受掃描周期的影響。

圖5 拋光機(jī)起動(dòng)保護(hù)程序

脈沖輸出必須使用晶體管的輸出方式，且輸出I/O為Y0和Y1。指令執(zhí)行過(guò)程中，修改目標(biāo)操作數(shù)，程序?qū)⒃谙乱淮芜\(yùn)行該指令時(shí)有效。指令的輸出范圍為10～100 kHz，最高速度或轉(zhuǎn)換過(guò)程超過(guò)頻率范圍，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到規(guī)定范圍內(nèi)執(zhí)行。

2. 4 安全保護(hù)

機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)的目標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)中必須加入保護(hù)程序，以免誤操作帶來(lái)傷害。緊急停止是所有機(jī)械必備的功能，不同的設(shè)計(jì)者和程序員使用的方法也不相同。在本機(jī)械中，緊急停止用了PLC的區(qū)間復(fù)位功能，按鈕接通時(shí)，區(qū)間復(fù)位功能強(qiáng)制把機(jī)械涉及到的輔助繼電器復(fù)位，所有軟原件復(fù)位后，機(jī)械停在當(dāng)前位置，只有鋼絲輪和吸塵器受慣性影響不會(huì)即刻停下。

本裝置中，檢查的部分是調(diào)試選擇開(kāi)關(guān)、后門開(kāi)關(guān)情況，同時(shí)還加入了機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)檢查。機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)檢查是保證機(jī)械正常運(yùn)行的必要條件。一個(gè)工作周期還在執(zhí)行過(guò)程中，操作者觸發(fā)開(kāi)始按鈕，如果程序中沒(méi)有起動(dòng)鎖定，機(jī)械就會(huì)在當(dāng)前轉(zhuǎn)為開(kāi)始運(yùn)行的狀態(tài)，輕則損壞產(chǎn)品和機(jī)械，重則造成人員傷亡。拋光機(jī)起動(dòng)保護(hù)程序如圖5所示。

在本控制程序中，使用輔助繼電器M11作為機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，當(dāng)機(jī)械的一個(gè)周期未完成時(shí)，輔助繼電器M11才能接通，當(dāng)程序單個(gè)周期還在運(yùn)行時(shí)，輔助繼電器M11斷開(kāi)輸入信號(hào)，起到運(yùn)行保護(hù)作用。

2. 5 系統(tǒng)歸零點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)位置歸零是運(yùn)動(dòng)控制不可缺少的組成部分，拋光機(jī)中使用系統(tǒng)歸零程序是系統(tǒng)穩(wěn)定快速運(yùn)行的保證。本機(jī)器在單個(gè)周期運(yùn)行前設(shè)置了系統(tǒng)歸零點(diǎn)，主要目的是針對(duì)系統(tǒng)非正常關(guān)閉導(dǎo)致部件不在零點(diǎn)的影響，也用于緊急停止的恢復(fù)步驟，系統(tǒng)歸零程序如圖6所示。

圖6 拋光機(jī)系統(tǒng)歸零點(diǎn)程序

本拋光機(jī)中，輔助繼電器M10是單次恢復(fù)的觸發(fā)元件，M9是單次觸發(fā)的自鎖，過(guò)程中檢查需要?dú)w零的信號(hào)，對(duì)未歸零的信號(hào)執(zhí)行歸零步驟，其中主要是步進(jìn)電機(jī)的歸零。步進(jìn)平臺(tái)不在最高和最低位置時(shí)執(zhí)行向下走程序，下限傳感器得到信號(hào)時(shí)，切斷脈沖輸出，完成步進(jìn)電機(jī)的歸零。

2. 6 仿真設(shè)置

程序編輯完成后，選擇“梯形圖邏輯測(cè)試啟動(dòng)”，程序模擬寫入PLC完成后，彈出“LADDER LOGIC TEST TOOL”對(duì)話框，該對(duì)話框是模擬PLC實(shí)際的運(yùn)行界面。在GX Developer中會(huì)彈出“監(jiān)視狀態(tài)”消息框，其為仿真系統(tǒng)掃描周期時(shí)間和模擬PLC的運(yùn)行狀態(tài)。

在監(jiān)視和模擬條件下，常閉觸點(diǎn)變成藍(lán)色，并實(shí)時(shí)輸出運(yùn)行結(jié)果。仿真系統(tǒng)和監(jiān)視模式相同導(dǎo)通的元件以藍(lán)色顯示，藍(lán)色塊狀的顯示方式可以直觀的查看軟原件的當(dāng)前狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)視執(zhí)行界面

仿真軟件運(yùn)行時(shí)通過(guò)藍(lán)色標(biāo)識(shí)顯示軟原件的通斷狀態(tài)，可以通過(guò)軟件了解PLC的運(yùn)行步驟，同時(shí)還會(huì)顯示計(jì)數(shù)器、寄存器等的當(dāng)前值。但是由于高速通道信號(hào)切換過(guò)快，故軟件不顯示高速通道運(yùn)行狀態(tài)。在程序仿真和系統(tǒng)監(jiān)控界面，可以利用“軟原件測(cè)試”功能，強(qiáng)制修改目標(biāo)元件的當(dāng)前狀態(tài)，如：軟原件開(kāi)閉、輸入信號(hào)、寄存器當(dāng)前值等。利用強(qiáng)制修改的方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需外維線路觸發(fā)程序，模擬傳感器、信號(hào)發(fā)生器、各類開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸入，對(duì)程序穩(wěn)定性調(diào)整、設(shè)備安全方面有重要意義。

2. 7 觸摸屏及操作界面設(shè)計(jì)

觸摸屏中的調(diào)試界面，目的是方便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和修改，功能通過(guò)操作臺(tái)的選擇開(kāi)關(guān)切換。該拋光機(jī)選用步科Eview ET070觸摸屏，可支持多種廠家的控制器與之連接，EV5000軟件是上海步科MT4000/5000系列HMI專用組態(tài)編輯軟件，也兼容本拋光機(jī)的Eview ET070觸摸屏。

串口通信選擇RS-232，組態(tài)過(guò)程中選擇通信方式為RS-232，9 600 bps，偶校驗(yàn)，7，1；站號(hào)：0。圖8為觸摸屏通信設(shè)置。

圖8 EV5000通信設(shè)置界面

使用該通信方式時(shí)，PLC為默認(rèn)的通信方式，無(wú)需進(jìn)入PLC中修改。使用步科專用的編程軟件EV5000，通過(guò)軟件設(shè)置操作界面數(shù)目、操作界面和查看界面等功能，編輯時(shí)可做元件、圖形、配方等功能。圖9為觸摸屏控制界面。

圖9 觸摸屏控制界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)自主研發(fā)的電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了電氣主回路及控制回路。以三菱Fx1s PLC作為拋光機(jī)的控制系統(tǒng)，以行程開(kāi)關(guān)、光幕檢測(cè)、各接觸器狀態(tài)量為控制器輸入信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)子夾具、可調(diào)滑臺(tái)、拋光電機(jī)、吸塵器等執(zhí)行元件進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了觸摸屏及操作界面。結(jié)合人工上下料，本成套設(shè)備可直接應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光工藝中。

[1] 閆鋒,玉佳彬.超高效電機(jī)的關(guān)鍵制造技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2013,40(7): 9-12.

[2] 簡(jiǎn)金權(quán),王建波,張建新,等.電機(jī)轉(zhuǎn)子酸洗機(jī)研發(fā)與應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2015,42(3): 17-19.

[3] 朱海燕,張今朝,鄔偉奇,等.一種電機(jī)轉(zhuǎn)子拋光機(jī)結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2016,33(12): 85-88.

[4] 三菱FX系列編程手冊(cè).三菱株式會(huì)社[Z].2009.

[5] 三菱公司.三菱微型可編程控制器用戶手冊(cè)(通信篇)[G].2012.

[6] 張傳娟.淺談PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2011(10): 17+19.[7] 劉麗華,李笑.基于PLC與觸摸屏的玻璃清洗機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(6): 58-61.

[8] 劉清,韓寶玲,羅慶生,等.S7-200可編程控制器在新型智能碼垛機(jī)器人中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008,30(7): 39-43.

Design of Programmable Controller in Motor Rotor Polishing Machine

ZHANG Jinzhao1, ZHU Haiyan1, Lü Jianlu2, QIAN Suxiang1, LEI Xiaojun1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001, China；2. School of Mechanical Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

According to the hardware platform and electrical circuit of the motor rotor polishing machine, Mitsubishi PLC Fx1s for the polishing machine operation control system were designed. Using executive components such as rotor clamp, adjustable slider, polishing machine and dust collector were controlled. In addition, the touch screen and operation interface were designed. Complete sets of equipment had been applied to the engineering practice.

rotor polishing; control system; programmable logic controller (PLC)

浙江省科技廳公益性項(xiàng)目(2015C31055)；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201534544)；嘉興市科技項(xiàng)目(2014AY11007)

張今朝(1971—)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)方面。 朱海燕(1976—)，女，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)控制方面。 呂健璐(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動(dòng)與控制。 錢蘇翔(1963—)，男，博士研究生，教授，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與信號(hào)處理、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等方面。

TM 33

A

1673-6540(2017)07- 0066- 05

2016 -10 -24