基于觸摸屏和PLC的金相切割機控制系統

　　0 引 言

　　金相切割機是金相取樣分析過(guò)程中的重要設備之一，主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，廣泛應用于機械、冶金、汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。目前，國內金相試樣切割設備形式多樣，以微處理器為基礎的各種制樣設備代表著(zhù)金相制備的先進(jìn)技術(shù)，但是自動(dòng)化程度較低，不能直接對較大零件進(jìn)行取樣。為了滿(mǎn)足行業(yè)的要求，促進(jìn)金相事業(yè)的發(fā)展，需要設計高精度、高性能和方便操作的金相切割控制系統。這里根據金相取樣的特殊要求，設計以PLC為核心的控制系統，采用觸摸屏作為人機交互設備，彌補了PLC在人機交互方面的不足，大大減少了輸入/輸出點(diǎn)數，方便操作與維修，為用戶(hù)提供了友好的人機界面。

　　1 工作原理

　　金相切割機控制系統是金相取樣的專(zhuān)用設備。為了保護金屬試樣的組織結構和特性，對于不同屬性的金屬應采取不同的切割速度和切割模式。在該系統中，設置了三個(gè)操作窗口(測試操作、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作)和一個(gè)高級設置窗口，一個(gè)切割過(guò)程觀(guān)察窗口。其中，自動(dòng)操作包括三種模式：勻速切割、進(jìn)三退一切割、逐層切割。不同切割模式的用戶(hù)可以在觸摸屏的不同窗口設定需要的切割工藝參數，再通過(guò)PLC設定與之相應的參數調用控制指令，驅動(dòng)切割機按照要求對金相試樣進(jìn)行切割。其中，PLC與變頻器通過(guò)串行通信方式對三相異步電機調速，采用USS協(xié)議對電機的運行狀態(tài)進(jìn)行控制和監視。

　　2 控制系統的設計要求及思路

　　根據金相切割機發(fā)展狀況和市場(chǎng)需求，本著(zhù)提高效率，增強可靠性能，提高性?xún)r(jià)比的原則，設計的金相切割機應實(shí)現以下功能：能夠根據零件尺寸的不同選擇不同的切割方式;在過(guò)程控制中，能夠根據不同的切割材料、硬度、尺寸調節切割速度;根據零件寬度或長(cháng)度，確定砂輪的進(jìn)刀速度、軸的運動(dòng)速度和位移量;根據砂輪片磨損情況和零件直徑，確定砂輪切割的快進(jìn)位置和退刀位置;能自動(dòng)控制監控切割量、進(jìn)給速度、主電機轉速等切割參數;人機交流界面便捷、美觀(guān)。

　　為了滿(mǎn)足切割及控制的技術(shù)要求，同時(shí)也為了提高機械產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，這里著(zhù)重從PLC控制和觸摸屏設計兩方面對金相試樣切割機進(jìn)行了研究。

　　3 硬件系統設計

　　切割機系統的主要組成見(jiàn)圖1所示的系統整體設計框圖。

　　系統的執行部件主要包括一臺三相異步電機和三臺步進(jìn)電機。三相異步電機采用變頻器進(jìn)行變頻調速，步進(jìn)電機由專(zhuān)用的驅動(dòng)器驅動(dòng)，控制系統核心PLC控制器發(fā)出控制命令信號，使異步電機和步進(jìn)電機協(xié)調運動(dòng)，完成切割過(guò)程。

　　3.1 主控制系統

　　PLC是整個(gè)控制系統的核心。PLC是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數字運算操作電子裝置，是帶有存儲器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲和執行指令，進(jìn)行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作，并通過(guò)數字式和模擬式輸入/輸出，控制各種類(lèi)型的機械和生產(chǎn)過(guò)程。它具有體積小，功能強，編程方便，可靠性高，耐惡劣環(huán)境能力強等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。該系統采用OM-RON公司的CP1 H X40DT-D程序一體化PLC?？蓪?shí)現高速計數器4軸、脈沖輸出4軸;通過(guò)擴展CPM1A系列的擴展I/O單元。CP1H整體可以達到最大320點(diǎn)的輸入/輸出;通過(guò)安裝選件板，可進(jìn)行RS 232C通信或RS 422A/485通信。

　　3.2 變頻器調速系統

　　在進(jìn)行電機調速時(shí)，電機磁通量是需要考慮的一個(gè)重要因素，如果磁通量太弱，電機會(huì )出現欠磁通，勢必會(huì )給電機輸出轉矩帶來(lái)很大影響。因為：

　　Tm=KTφmI2COSψ2 (1)

　　式中：Tm是電磁轉矩;KT為比例系數;φm是主磁通量;I2是轉子電流;cosψ2是轉子回路的功率因數。

　　由式(1)可知，電機磁通量的降低直接影響電磁轉矩的減小。因此，在改變電機頻率時(shí)，應該對電機電壓進(jìn)行協(xié)調控制，以維持電機磁通的恒定。根據切割機的主電機參數，該系統選用Siemens公司的MM420變頻器，通過(guò)設定變頻器輸出功率的變化來(lái)控制主電機轉速的變化，兩者之間近似呈線(xiàn)性關(guān)系，從而實(shí)現了無(wú)級調速的目的。PLC為漏型晶體管輸出，與變頻器的通訊采用基于USS協(xié)議的串行口RS 485通信方式。這里，為了確保系統安全運行，必須將變頻器接地端可靠接地。

　　3.3 步進(jìn)電機驅動(dòng)系統

　　步進(jìn)電機是可以將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的電磁機械裝置。給電機加一個(gè)脈沖信號，電機按照設定方向轉動(dòng)一個(gè)步距角。電機轉速與輸入脈沖頻率保持同步。該系統中通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，達到定位精確的目的;通過(guò)控制脈沖頻率控制電機轉動(dòng)速度，從而達到調速的目的。x，y，z三向步進(jìn)電機分別由3個(gè)MS-2H090M型步進(jìn)電機驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)，每向步進(jìn)電機驅動(dòng)器包括使能輸入端EN，步進(jìn)脈沖輸入端CP和方向電平信號輸入端DIR。