1、概述
　　
　　常州某凈化公司LVD—HD型剪板機(jī)由于原有電氣系統(tǒng)設(shè)備陳舊，對(duì)正常生產(chǎn)造成了極大的影響，為此急需進(jìn)行技術(shù)改造。剪板機(jī)后靠系統(tǒng)電氣裝置的改造設(shè)計(jì)就是在這個(gè)背景下提出的，要求使用PLC、觸摸屏和伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，完成剪板機(jī)后靠系統(tǒng)定位，位置參數(shù)設(shè)定及顯示。剪板機(jī)后靠系統(tǒng)的電氣改造將對(duì)該設(shè)備的正常生產(chǎn)提供良好的，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　2、設(shè)計(jì)思想
　　
　　本系統(tǒng)改造主要是針對(duì)剪板機(jī)后靠系統(tǒng)，即設(shè)定板料剪切尺寸。系統(tǒng)要求采用交流伺服驅(qū)動(dòng)、PLC與觸摸屏控制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，后靠系統(tǒng)的移動(dòng)位置在規(guī)定范圍內(nèi)可以任意設(shè)定，定位誤差小于0．2mm。系統(tǒng)由觸摸屏設(shè)定的剪板位置信號(hào)確定所需的剪板寬度，PLC控制輸出信號(hào)脈沖到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)后靠系統(tǒng)完成剪板動(dòng)作。
　　
　　3、硬件設(shè)計(jì)
　　
　　本控制系統(tǒng)PLC選用日本三菱FX1S-10MT-001，觸摸屏選用日本三菱F920GOT-BBD5-K-C。伺服系統(tǒng)采用日本安川系列伺服驅(qū)動(dòng)器SGDM-10ADA和伺服電機(jī)SG-MGH-09ACA61，伺服驅(qū)動(dòng)器SGDM-10ADA主要性能指標(biāo)：適配電機(jī)的額定功率為1000W，電源電壓為三相220V，編碼器類(lèi)型為2500P/R，伺服電機(jī)編碼器采用增量編碼器。變壓器選擇三相380V/220V，250kV-A。系統(tǒng)框圖如圖1所示。　　　　
　　1）系統(tǒng)主回路
　　
　　系統(tǒng)采用三相AC220V伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器的U、V、W及接地端分別接伺服電機(jī)的A相、B相、C相和伺服電機(jī)
　　
　　的地線(xiàn)。L1、L2、L3是伺服單元三相主電路輸入端，L1c、L2c是控制電路電源輸入端。編碼器與驅(qū)動(dòng)器的CN2端口相接，編碼器的C、D、H、G分別為數(shù)據(jù)傳輸和5V、0V線(xiàn)，分別與CN2端口的PS（5）、/PS（6）、5V（1）、0V（2）相連。實(shí)際接線(xiàn)以顏色區(qū)分，如圖2所示。　　　　
　　2）PLC輸入輸出電路
　　
　　系統(tǒng)采用FX1s-10MT可編程控制器，是一種小型化、高速度、高性能的PLC。輸入輸出（I/O）總點(diǎn)數(shù)有10
　　
　　個(gè)，晶體管輸出，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。
　　
　　設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)有：設(shè)定執(zhí)行（X0），原點(diǎn)檢測(cè)（X1），采用接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，作為原點(diǎn)回歸的近點(diǎn)信號(hào)。伺服準(zhǔn)備就緒（X2），剪板計(jì)數(shù)（X5）；Y0輸出端輸出脈沖控制伺服驅(qū)動(dòng)，接伺服單元的CN1端口8腳。
　　
　　Y1作為方向輸出控制，后靠系統(tǒng)前進(jìn)或是后退。Y1輸出接伺服單元的CN1端口12腳。Y2清除信號(hào)輸出，Y2輸出接CN1口的14腳，接線(xiàn)時(shí)以顏色區(qū)分。Y3作為報(bào)警復(fù)位信號(hào)輸出端。其中，Y2、Y3均采用低電平有效，與伺服單元CN1接口的接線(xiàn)如圖3所示。　　　　
　　4、伺服系統(tǒng)
　　
　　4.1位置控制參數(shù)設(shè)定
　　
　　PG反饋脈沖的分頻比－電子齒輪（A/B）的設(shè)定。
　　
　　本系統(tǒng)采用17位的增量型編碼器，編碼器脈沖數(shù)32768P/R。電子齒輪功能是指可將相當(dāng)于指令控制器輸入
　　
　　指令1脈沖的工作移動(dòng)量設(shè)定為任意值的功能。
　　
　　由于電氣停止精度δ=±0.001mm，因此設(shè)位置檢測(cè)單位△l=0.00lmm/pulse。電機(jī)軸與負(fù)載側(cè)的機(jī)械減速比為m/n，即伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)m圈，負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)n圈。根據(jù)下式求出電子齒輪數(shù)比的設(shè)定值。　　
　　4.2伺服單元
　　
　　1）伺服單元的CNl接口及其接法作為位置指令輸入輸出接口，位置用針號(hào)有：指令脈沖輸入（7，8，11，12），偏移脈沖清除輸入（14，15），工作電源（3，13，18）。指令控制器的指令脈沖，偏移脈沖清除信號(hào)的輸出采用集電極開(kāi)路輸出，其接線(xiàn)方式如圖3所示。
　　
　　這種接線(xiàn)方式利用伺服單元內(nèi)置的12V電源規(guī)格，作為內(nèi)部集電極開(kāi)路輸出信號(hào)時(shí)，供給12V工作電源，因此不需外接電源，接線(xiàn)方便簡(jiǎn)單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　在控制要求中，要求伺服系統(tǒng)準(zhǔn)備好后方可啟動(dòng)程序，通過(guò)伺服ON工作信號(hào)解除驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部變頻器部分的柵極封鎖，使電機(jī)變?yōu)橥姞顟B(tài)。為了剪板機(jī)后靠系統(tǒng)不超程運(yùn)行，設(shè)置兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)禁止正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和禁止反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)置報(bào)警功能。檢測(cè)到報(bào)警時(shí)，KA2繼電器OFF。圖4為CN1的通用接口電路。　　　　
　　2）伺服單元的CN2接口及其接法
　　
　　伺服單元的CN2接口是連接編碼器的端口。CN2的端子有BAT（+）、BAT（-）作為值編碼器用電池接口。C、D、H、G是伺服電機(jī)SGMGH的針號(hào)。編碼器與伺服單元的CN2接口接線(xiàn)圖如圖5所示。　　　　
　　5、人機(jī)界面
　　
　　為使操作簡(jiǎn)單，更具人性化設(shè)計(jì)，為此選用三菱F920GOT，它是三菱鍵盤(pán)式F900圖形操作終端的一種，有與可編程控制器進(jìn)行通信的RS422接口，使用方便，有良好的可視界面，通過(guò)與可編程控制器通信，設(shè)定加工參數(shù)（加工尺寸、加工數(shù)量），實(shí)現(xiàn)后靠系統(tǒng)擋料板參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可在操作終端上操作機(jī)器，包含點(diǎn)動(dòng)調(diào)試、自動(dòng)回零位、暫停等工作，解決了以往按鈕多，操作繁瑣的問(wèn)題。
　　
　　6、軟件設(shè)計(jì)
　　
　　6.1設(shè)計(jì)思想
　　
　　根據(jù)控制要求軟件的總體設(shè)計(jì)思想：通過(guò)觸摸屏設(shè)置剪板位置、數(shù)量。當(dāng)*次設(shè)定的剪板位置完成剪板數(shù)量后，后靠系統(tǒng)不需返回到原點(diǎn)位置，直接輸入第二次想要設(shè)定的剪板位置，后靠系統(tǒng)能自動(dòng)到達(dá)所要求的位置。即前一次的剪板完成之后，位置被記錄下來(lái)，剪板機(jī)并不需要恢復(fù)到原始位置（原點(diǎn)位置的接近開(kāi)關(guān)），而是等到下次命令時(shí)，PLC通過(guò)對(duì)剪板機(jī)后靠系統(tǒng)的擋板當(dāng)前位置及所要達(dá)到位置進(jìn)行判斷比較，發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)，調(diào)整（或進(jìn)或退）后靠擋板的位置，直到所要求的位置。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候也考慮了可以在*次剪板完成后，先返回到原點(diǎn)位置，再根據(jù)下次所要求的剪板寬度，控制伺服電機(jī)，移動(dòng)到所需位置。所設(shè)計(jì)的軟件流程圖如圖6所示。　　　　
　　6.2剪板定位
　　
　　后靠系統(tǒng)所要控制的目的就是定位，定位是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，定位的完成采用的軟件算法。應(yīng)用可編程控制器完成定位的方法很多，可供選擇的指令也很豐富，其中，F(xiàn)NC158是相對(duì)位置控制指令。每次控制運(yùn)算都是把當(dāng)前位置作為基礎(chǔ)點(diǎn)，控制運(yùn)算簡(jiǎn)便。
　　
　　指令在使用過(guò)程中，當(dāng)前寄存器隨輸出變化，無(wú)需設(shè)置改變，正轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)前寄存器的數(shù)值增加，反轉(zhuǎn)時(shí)當(dāng)前寄存器的數(shù)值減少。指令在執(zhí)行過(guò)程中，即使改變操作數(shù)的內(nèi)容，也無(wú)法在當(dāng)前運(yùn)行中表現(xiàn)出來(lái)，只在下一次指令執(zhí)行時(shí)才有效，執(zhí)行完成的標(biāo)志是M8029寄存器。
　　
　　在執(zhí)行位置控制時(shí)，可編程控制器利用自身產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)脈沖或反轉(zhuǎn)脈沖進(jìn)行當(dāng)前值增減，并將其保存至當(dāng)前寄存器（Y000：D8141，D8140）。由此，機(jī)械的位置始終保持著，但當(dāng)可編程控制器斷電時(shí)會(huì)消失，因此上電時(shí)和初始運(yùn)行時(shí)，必須執(zhí)行原點(diǎn)回歸，將機(jī)械動(dòng)作的原點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)事先寫(xiě)入。FNC165原點(diǎn)回歸指令。
　　
　　在執(zhí)行相對(duì)位置指令時(shí)，實(shí)際能夠輸出的輸出脈沖頻率的zui低頻率數(shù)，根據(jù)公式：
　　
　　√速度（D8147,D8146）Hz•2•加減速度時(shí)間D8148•1000=輸出脈沖頻率的zui低頻率數(shù)，可以比較方便得出，如圖7所示。　　　　
　　對(duì)于輸出脈沖頻率S2，即使了低于上面計(jì)算結(jié)果的數(shù)值，仍將輸出計(jì)算值的頻率，加速初期和減速zui終部分的頻率也不低于上述結(jié)果。
　　
　　相對(duì)位置指令在執(zhí)行時(shí)有相關(guān)寄存器配合作用：
　　
　　D8145：執(zhí)行相對(duì)位置指令時(shí)的基底速度；
　　
　　D8147、D8146：執(zhí)行相對(duì)位置指令時(shí)的zui高速度，S2的輸出脈沖頻率必須小于該zui高速度，設(shè)定范圍：10～100000Hz；
　　
　　D8148：執(zhí)行相對(duì)位置指令時(shí)的加減速時(shí)間，加減速時(shí)間表是到達(dá)zui高速度D8147、D8146所需時(shí)間，因此，當(dāng)輸出脈沖頻率S2低于zui高速度D8147、D8146時(shí)，實(shí)際加速時(shí)間會(huì)縮短，設(shè)定范圍：50-5000ms；
　　
　　M8145：Y000脈沖輸出停止（立即停止）；
　　
　　M8147：Y000脈沖輸出中監(jiān)控。
　　
　　定位程序在執(zhí)行過(guò)程中，首先要比較設(shè)定值與當(dāng)前值，通過(guò)比較結(jié)果計(jì)算出輸出脈沖數(shù)參數(shù)、輸出電機(jī)旋轉(zhuǎn)
　　
　　方向參數(shù)；同時(shí)，根據(jù)設(shè)定值與當(dāng)前值的相差值，設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}沖輸出頻率。程序如圖8所示。　　　　
　　6.3剪板計(jì)數(shù)
　　
　　計(jì)數(shù)采用減計(jì)數(shù)方式，通過(guò)觸摸屏寫(xiě)進(jìn)剪板數(shù)量D102，再將剪板數(shù)量傳人計(jì)數(shù)器C200，有信號(hào)就減l，計(jì)
　　
　　數(shù)器為零時(shí)發(fā)出信號(hào)給剪板機(jī)，同時(shí)清除相關(guān)存儲(chǔ)器。計(jì)數(shù)程序如圖9所示。　　　　
　　6.4原點(diǎn)回歸
　　
　　預(yù)先將M8140置于ON狀態(tài)，能夠在原點(diǎn)回歸完成時(shí)向伺服電機(jī)輸出清零信號(hào)。清零信號(hào)的輸出地址號(hào)根據(jù)不同的脈沖輸出地址號(hào)而決定，脈沖輸出Y000，清零信號(hào)輸出Y002。程序如圖10所示。　　　　
　　7、結(jié)論
　　
　　利用現(xiàn)代控制技術(shù)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備，繼而提高傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的加工精度、生產(chǎn)效率，對(duì)提高中小企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度及其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力是一種有效方法。本剪板機(jī)數(shù)控改造方案對(duì)原剪板機(jī)機(jī)械機(jī)構(gòu)略做改動(dòng)，增加數(shù)控系統(tǒng)和少量機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)，改造周期短、投資少。實(shí)際使用證明，新系統(tǒng)具有精度高、性能穩(wěn)定、工作可靠、操作簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、顯示直觀和自動(dòng)保護(hù)等特點(diǎn)，所有指標(biāo)均達(dá)到企業(yè)提出的設(shè)計(jì)要求，有效地提高了企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。