OMRON PLC伺服控制系統在薄板V型刨槽機上的設計

在不銹鋼薄板加工成型的生產(chǎn)中，不銹鋼板材直接折邊成型會(huì )在拐角形成弧角的效果，在某些情況下，人們不需要這種效果。如果在進(jìn)行薄板的折彎加工之前，首先在薄板上折彎處先開(kāi)出一道v型溝槽，然后再進(jìn)行折彎，這樣就可以加工出來(lái)沒(méi)有弧邊的棱角效果，如圖1所示。

針對這種應用，人們研制出了“v型刨槽機”，為了提高這種機器的生產(chǎn)效率和加工精度，必須在機器上安裝自動(dòng)控制系統。本文介紹的是筆者用plc+hmi+交流伺服電機開(kāi)發(fā)的針對這種“v型刨槽機”的一種控制系統。

工藝要求

由于在這種刨槽機上加工的板材一般都比較薄，為了保證折邊處有足夠的強度，刨槽的深度不能夠很深，所以控制精度要求很精確;同時(shí)，為了提高工件的折彎尺寸精度，對溝槽的長(cháng)度和位置控制也要精確。綜合以上因素考慮：整機的設計精度要達到0.01mm。根據工藝技術(shù)特點(diǎn)，工件的加工需要在x，y， z三個(gè)方向上分別進(jìn)行控制。其中x軸：溝槽的長(cháng)度;y軸：溝槽在板材上的位置;z軸：溝槽的深度。具體要求如圖2所示。

控制要求

為了降低對操作人員的文化水平的要求，必須簡(jiǎn)化參數設定，采用友好的人機對話(huà)界面，能夠方便的控制機器的運行，能夠監視機器的運行狀態(tài);

另外為了提高機器的智能化水平，在本機器上開(kāi)發(fā)了具有文件存儲和管理的功能。這樣就可以方便的以配方的形式進(jìn)行不同工件加工參數的管理。數據存儲要求以工件的編號作為數據組(可多達50組)，每一個(gè)工件編號對應一組工件的參數：長(cháng)度，厚度，刨削起點(diǎn)，開(kāi)槽位置，溝槽深度(一條溝槽最多可以分10刀進(jìn)行刨削，每一次進(jìn)刀深度設定范圍在0～0.99mm)等等。所有的參數可以隨時(shí)修改，隨時(shí)存儲。加工時(shí)，通過(guò)設定工件的編號來(lái)調用參數，如圖3，也可以按照重新設定的新參數來(lái)加工工件。

機器的工藝控制上要求機床有手動(dòng)和自動(dòng)功能。手動(dòng)時(shí)，機床每次只在一個(gè)固定的位置(可以任意設定)上刨一道槽。自動(dòng)時(shí)，機床可以根據設定的工件號調用長(cháng)度，厚度，刨削起點(diǎn)，開(kāi)槽位置，溝槽深度等參數，在板材上自動(dòng)刨出合乎要求的溝槽。圖4示出操作界面。

方案確定

綜合以上的要求，由于是位置控制，而且控制精度要求較高(0.01mm)，所以應當采用步進(jìn)電機或者是交流伺服電機作為執行機構?？刂葡到y可以有多種選擇：數控系統;計算機+運動(dòng)控制卡;hmi+plc等。

執行機構的選型

步進(jìn)電機的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格要比交流伺服電機便宜，缺點(diǎn)是它高速力矩特性較軟，會(huì )限制運行速度的提高，從而影響機器的工作效率的提高。而交流伺服電機則能夠勝任高速運行，所以從提高工作效率的角度來(lái)說(shuō)選擇交流伺服電機作為執行機構能夠提高設備的適用范圍，從而提高設備的市場(chǎng)競爭能力。

控制系統的選型

專(zhuān)門(mén)的數控系統優(yōu)點(diǎn)是功能很全面，適用于復雜的運動(dòng)控制，價(jià)格比較高，最重要的是它對操作人員的要求比較高，而在這里的控制程序單一，不需要操作人員經(jīng)常的改變控制程序，所以不適合用在小型機床。

微型計算機+運動(dòng)控制卡這種方案

硬件成本比前者要低一些，但是控制軟件的穩定性對操作系統依賴(lài)性很強，操作系統一旦癱瘓，將直接影響生產(chǎn)的進(jìn)行。另外計算機對環(huán)境要求高，體積大，可移動(dòng)性差，不適合安裝在小型機床上。

hmi和plc本來(lái)就是面向工業(yè)環(huán)境設計的高穩定性產(chǎn)品，物理尺寸非常適合安裝在小型機床上，價(jià)格上也比較便宜?？刂栖浖_(kāi)發(fā)采用簡(jiǎn)單易學(xué)的ld梯形圖語(yǔ)言，控制系統軟件的開(kāi)發(fā)，調試很容易，plc運行非常穩定，幾乎不需要程序維護。比較而言：

hmi+plc的方案應該是最好的選擇。

硬件系統

系統硬件方案如圖5所示。

控制回路

包括按鈕，指示燈等。二次回路采用dc24v，串入急停按鈕控制動(dòng)力回路接觸器，直接控制供電系統的安全運行。

供電系統

伺服驅動(dòng)動(dòng)力電采用ac380v供電，由接觸器控制。一臺可以輸出電壓為dc24v的開(kāi)關(guān)電源。提供人機界面電源、plc的輸入信號電源。二次控制回路單獨使用另一路dc24v開(kāi)關(guān)電源。

伺服動(dòng)力電源是三相ac220v的制式，所以要提供一臺380-220干式變壓器，作為電壓的轉換。

plc電源是ac220v等級的，可以從ac380取一相使用，但考慮到電源隔離以后，電源的質(zhì)量有一定的提高，對plc有利，因此從380-220干式變壓器輸出端取兩相使用。

hmi系統

hmi是整個(gè)機器與操作人員進(jìn)行交流的界面(見(jiàn)圖6)，在滿(mǎn)足技術(shù)要求的基礎上要考慮易于操作，外形美觀(guān)大方。這里選用omron的ns10(10寸)真彩觸摸屏，支持全中文顯示，熒屏寬大，文字清晰，顏色豐富，操作簡(jiǎn)單。數據的設定，存儲，記錄，機器的運行狀態(tài)監視和控制都很方便。

hmi與plc采用rs232串行通信(sysmac way協(xié)議)連接。

plc系統

圖7示出的plc是整個(gè)控制系統的核心，它聯(lián)系著(zhù)hmi和底層現場(chǎng)設備伺服驅動(dòng)系統的運行，要求性能可靠，功能上要能夠方便的實(shí)現與hmi和伺服驅動(dòng)系統的連接。本系統選用omron的cj1m系列小型plc。cpu內置2路100khz高速脈沖輸出，實(shí)現x軸，y軸的運動(dòng)控制，此外配置一個(gè)nc133位置控制模塊，實(shí)現z軸的運動(dòng)控制。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出各選用一個(gè)16路輸入/輸出模塊。設備的整個(gè)工藝流程的控制主要采用ld(梯形圖)語(yǔ)言編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現。為了實(shí)現運動(dòng)控制的要求，某些地方需要較為復雜的數學(xué)運算，為了實(shí)現這部分功能，筆者自己用st語(yǔ)言編寫(xiě)并把這部分封裝在功能塊(fb)里面，供ld調用。

伺服驅動(dòng)系統

伺服驅動(dòng)器和交流伺服電機，x軸、y、z軸各一套。伺服驅動(dòng)系統選用安川的伺服驅動(dòng)系統，這里采用“脈沖+方向”控制模式，接線(xiàn)從plc或者nc位置控制模塊的高速脈沖輸出口引出，接入伺服驅動(dòng)器的脈沖輸入口，以及方向信號。

傳感器

為了保證各個(gè)軸的正常和安全的運行，需要在每個(gè)軸的兩端分別安裝一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，作為軸的極限位置傳感器，防止運行范圍超出，造成設備損壞。本設備所有的伺服控制系統均采用絕對坐標，在每個(gè)軸上還要單獨設置一個(gè)零點(diǎn)開(kāi)關(guān)，作為坐標軸的零點(diǎn)位置。

hmiplc軟件系統

在人機界面上開(kāi)發(fā)出以下畫(huà)面：

主頁(yè)面。展示生產(chǎn)廠(chǎng)家及機床的信息，力求簡(jiǎn)潔明了，美觀(guān)大方;

手動(dòng)頁(yè)面。手動(dòng)模式下的數據設定，管理，控制，監視等信息;

自動(dòng)頁(yè)面。自動(dòng)模式下的數據設定，管理，控制，監視等信息;

確認頁(yè)面。參數的修改或調用時(shí)需要彈出確認提示頁(yè)面，以保證對工件參數的操作的正確性。主要用在一些關(guān)鍵數據的讀取和寫(xiě)入前的確認提醒，防止操作人員對數據的錯誤讀寫(xiě)。

軟件采用ld語(yǔ)言編寫(xiě)，并且按照功能做出以下分段，以便于以后的程序維護：

信號輸入段。負責輸入信號的采集和管理，邏輯的簡(jiǎn)單轉換;

模式轉換段。負責管理手動(dòng)/自動(dòng)模式的切換，保證系統在兩種模式下正常的運行;

數據管理段。負責hmi與plc之間的數據傳輸，存儲和調用管理，還包括傳遞從hmi上發(fā)出的操作指令;

脈沖輸出段。負責plc對伺服系統發(fā)出正確的脈沖指令，確保交流伺服電機按照規定的方向和位置進(jìn)行運動(dòng);

邏輯控制段。負責整個(gè)工藝流程的邏輯控制，對液壓等機械執行機構進(jìn)行控制，保證動(dòng)作按程序正常執行;

信號輸出段。負責所有需要輸出的信號進(jìn)行管理和邏輯轉換。

具體軟件系統流程如圖8所示。

注意事項

交流伺服系統是強電系統而且是高電磁輻射源(盡管它們有emc認證，還是不能絕對的避免電磁輻射的產(chǎn)生)，而plc，hmi以及它們之間的通信連接是典型的弱電系統，很容易受到強電磁輻射的干擾，因此在硬件布置上要盡量增加強電系統與弱電系統之間的安裝距離，減少電磁干擾帶來(lái)的不利影響。同時(shí)考慮通信電纜與動(dòng)力電纜之間的安裝方式，一般遵循這樣的原則：通信電纜采用屏蔽電纜，并且要單點(diǎn)(在信號的接收處)屏蔽層接地;交流伺服的動(dòng)力電纜最好也要屏蔽，并且在伺服驅動(dòng)器的這一端進(jìn)行屏蔽層接地，電纜長(cháng)度盡量的短;通信電纜與動(dòng)力電纜盡量避免近距離平行布線(xiàn)，如果無(wú)法避免平行布線(xiàn)，二者距離要求≥20cm。

結語(yǔ)

hmi+plc+伺服系統是一個(gè)典型的小型的數控系統。它價(jià)格比常規的數控系統相比較，價(jià)格低廉，界面友好，功能強大，精度高，特別適合于小型機床上使用。經(jīng)實(shí)際使用驗證表明：這種系統性能非常穩定可靠，工況良好，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量合格穩定。