PLC控制的專用自動(dòng)攻絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某企業(yè)專用零件攻絲生產(chǎn)效率低、加工精度差等問題，設(shè)計(jì)了專用自動(dòng)攻絲系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以西門子200系列PLC為主控制器，松下A5系列伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配套伺服驅(qū)動(dòng)器為硬件平臺(tái)。使用STEP7-Micro/WIN軟件編寫指令產(chǎn)生高速脈沖串實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器的位置控制，最終實(shí)現(xiàn)了絲錐對(duì)零件的精確定位加工。系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本。

關(guān)鍵詞：專用自動(dòng)攻絲系統(tǒng)；PLC；伺服電機(jī)；位置控制

0　引言

在自動(dòng)化生產(chǎn)、加工制造過程中，經(jīng)常需要對(duì)加工零配件進(jìn)行攻絲，然而傳統(tǒng)的加工設(shè)備生產(chǎn)效率低，且產(chǎn)品攻絲精度不能保證。目前市場(chǎng)上的自動(dòng)攻絲設(shè)備價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，為滿足快速高精度的加工要求，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備。本文結(jié)合PLC抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，采用西門子PLC控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為絲錐的直線運(yùn)動(dòng)這一思想，設(shè)計(jì)了專用自動(dòng)攻絲系統(tǒng)。

1　控制系統(tǒng)方案

1.1　自動(dòng)攻絲系統(tǒng)主要組成

圖1為自動(dòng)攻絲系統(tǒng)工作示意圖。本系統(tǒng)主要由操作臺(tái)控制PLC發(fā)送脈沖指令來控制伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器把接收到的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制絲錐旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的絲錐對(duì)工件進(jìn)行攻絲。根據(jù)被控對(duì)象和輸入輸出信號(hào)的數(shù)量、類型及控制要求[2-3]，決定采用西門子PLC CPU224XP CN DC\DC\DC作為主控制器，考慮到生產(chǎn)加工精度要求，選用螺距為5 mm的絲杠，絲錐規(guī)格M5。為方便用戶使用，在操作臺(tái)上分別設(shè)置了啟動(dòng)按鈕和停止按鈕，工作臺(tái)的零點(diǎn)定位和超程限位由高精度電感式接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)，其中A、B處為限位開關(guān)，O處為原點(diǎn)檢測(cè)開關(guān)。

  

圖1　自動(dòng)攻絲系統(tǒng)工作示意圖

1.2　伺服電機(jī)的選取與控制方式的選擇

根據(jù)電機(jī)所需負(fù)載扭力、速度、精度等要求，本系統(tǒng)選用松下交流伺服電機(jī)MSME041G1，配套伺服驅(qū)動(dòng)器MCDHT3120作為本系統(tǒng)的動(dòng)力部分。由于位置控制模式是通過外部輸入脈沖指令來確定轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢與轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，故本系統(tǒng)采用位置控制模式控制伺服電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

2　控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1　控制系統(tǒng)原理

圖2為控制系統(tǒng)原理圖。PLC按照所編寫的程序指令發(fā)送脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過濾波倍頻處理后輸出相應(yīng)電信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度，通過軸上的聯(lián)軸器帶動(dòng)攻絲旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的絲杠使絲錐做直線運(yùn)動(dòng)，因此只需要調(diào)節(jié)輸出的脈沖信號(hào)就可以間接完成絲錐移動(dòng)的速度和距離控制。已知編碼器規(guī)格為20 bit,電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，絲杠通過聯(lián)軸器直接與伺服電機(jī)聯(lián)接，傳動(dòng)比為1∶1，其中下限位傳感器所在位置A距離工件底面C是20 mm，上限位傳感器B所在位置距離原點(diǎn)O是20 mm，絲錐在原點(diǎn)O距離工件表面E的垂直高度是100 mm，工件需要攻絲的尺寸為60 mm。結(jié)合加工精度與生產(chǎn)效率考慮，設(shè)定位置分辨率ΔM=0.005 mm，則指令分倍頻比 = 。

從原點(diǎn)位置O運(yùn)動(dòng)到工件表面位置E所需脈沖數(shù) =2.0×104，

從工件表面E位置攻絲到目標(biāo)位置C所需脈沖數(shù) =1.2×104。

2.2　伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)

圖3為伺服驅(qū)動(dòng)器主要接線圖。圖3中，L1、L2、L3為伺服驅(qū)動(dòng)器的主回路電源接線端子，L1C、L2C為控制回路電源接線端子，并聯(lián)后接入交流220 V電源；U、V、W為輸出電機(jī)的電源接線端子，PE為電機(jī)的地線端子，伺服電機(jī)編碼器線與驅(qū)動(dòng)器X6接口對(duì)接；ALM+/ALM-為報(bào)警信號(hào)輸出端子,ALM-接PLC輸入端子I0.2；RDY+/RDY-為伺服準(zhǔn)備信號(hào)輸出端子，RDY-接入PLC輸入端子I0.3；GND為信號(hào)接地端子，COM+與外接24 V直流電源的正極相連，COM-與外接24 V直流電源的負(fù)極相連；脈沖信號(hào)端子PULS1/PULS2與方向信號(hào)端子SING1/SING2為位置控制模式下所特有的兩路信號(hào)端子，PULS1連接PLC的輸出端子Q0.0，SING1連接PLC的輸出端子Q0.2，為使輸入電流保持在伺服驅(qū)動(dòng)器允許的范圍內(nèi)，此時(shí)各需串聯(lián)一個(gè)2 kΩ的電阻，當(dāng)方向信號(hào)端子接收信號(hào)變化時(shí)，伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向發(fā)生改變，具體轉(zhuǎn)動(dòng)方向與所設(shè)參數(shù)有關(guān)；S-ON為伺服使能信號(hào)輸入端子，連接24 V直流電源負(fù)極。

  

圖2　控制系統(tǒng)原理圖

  

圖3　伺服驅(qū)動(dòng)器主要接線圖

2.3　I/O地址分配

PLC采用PTO脈沖串輸出方式來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的位置控制，根據(jù)上述設(shè)置的電子齒輪比可知電機(jī)每一轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)為1 000，如果電機(jī)運(yùn)行在最高速度，

則PLC輸出脈沖頻率為 =50 kHz。由于CPU224XPCN晶體管輸出最高頻率達(dá)100 kHz，故選用CPU224XP CN DC/DC/DC可以滿足上述要求。此型號(hào)CPU配置有兩個(gè)內(nèi)置脈沖發(fā)生器端口Q0.0和Q0.1，以Q0.0作為伺服驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端子，根據(jù)分析得到的PLC I/O分配如表1所示。

表1　PLC的I/O分配

 

地址功能地址功能I0.0急停按鈕I0.6絲錐原點(diǎn)位置O信號(hào)I0.1啟動(dòng)按鈕Q0.0脈沖信號(hào)I0.2伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)警Q0.2方向信號(hào)I0.3伺服電機(jī)準(zhǔn)備Q0.3絲錐正向旋轉(zhuǎn)I0.4工作臺(tái)下限位Q0.4絲錐反向旋轉(zhuǎn)I0.5工作臺(tái)上限位

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置見表2。其中，Pr0.00設(shè)為0，正向指令時(shí)，從軸側(cè)看電機(jī)為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，負(fù)向指令時(shí)，從軸側(cè)看電機(jī)為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；參數(shù)Pr0.01為控制模式選擇，設(shè)置0為位置控制模式；Pr0.05為指令脈沖輸入模式選擇功能代碼，設(shè)置0為光電耦合器輸入；Pr0.06為指令脈沖極性設(shè)置功能代碼，Pr0.07為指令脈沖輸入模式選擇功能代碼，兩指令須配合使用，本控制系統(tǒng)采用脈沖序列+符號(hào)脈沖串輸出形式，設(shè)定Pr0.06=0,Pr0.07=3；Pr0.09與Pr0.10分別為指令分倍頻的分子與分母參數(shù)設(shè)置功能代碼，由于指令分倍頻比D=1 048 576/1 000,設(shè)置Pr0.09=1 048 576,Pr0.10=1 000。

表2　伺服驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)設(shè)置

 

參數(shù)代碼參數(shù)名稱設(shè)定范圍設(shè)定值Pr0.00旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定0～10Pr0.01控制模式設(shè)定0～60Pr0.05指令脈沖輸入選擇0～10Pr0.06指令脈沖極性設(shè)置0～10Pr0.07指令脈沖輸入模式設(shè)置0～33Pr0.09指令分倍頻分子0～2301048576Pr0.10指令分倍頻分母1～2301000

3.2　控制過程分析

圖4為PLC控制系統(tǒng)流程。上電按下啟動(dòng)按鈕，PLC首先會(huì)進(jìn)行程序初始化，檢測(cè)無異常報(bào)警后，若絲錐沒有回到原點(diǎn)位置O，則啟動(dòng)回參考點(diǎn)子程序進(jìn)行回原點(diǎn)操作，確認(rèn)絲錐回到原點(diǎn)位置O后，絲錐開始轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)用絲錐進(jìn)刀加工子程序，PLC發(fā)出脈沖信號(hào)，絲錐從原點(diǎn)位置O經(jīng)過先加速后恒速再減速到達(dá)工件表面E位置，再恒速進(jìn)給到目標(biāo)位置C，停止進(jìn)刀1 s后，調(diào)用絲錐退刀子程序，絲錐與伺服電機(jī)反方向恒速退回到工件表面E位置，經(jīng)過先加速后恒速再減速退回到原點(diǎn)O位置后，系統(tǒng)停機(jī)，等待下次啟動(dòng)。此時(shí)完成了一個(gè)工作循環(huán)，每點(diǎn)動(dòng)一次啟動(dòng)按鈕完成一個(gè)零件的加工，如此反復(fù)循環(huán)完成對(duì)批量零件的攻絲。

  

圖4　PLC控制系統(tǒng)流程

3.3　程序設(shè)計(jì)

PLC通過高速脈沖發(fā)生端口Q0.0輸出的脈沖頻率來控制伺服電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)快慢，由輸出脈沖的個(gè)數(shù)來控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行分析，根據(jù)產(chǎn)品加工生產(chǎn)效率與質(zhì)量要求，采用模塊化編程設(shè)計(jì)思想，將自動(dòng)攻絲系統(tǒng)程序分為主程序加3個(gè)子程序和3個(gè)中斷程序，程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。

  

圖5　程序結(jié)構(gòu)

4　結(jié)束語

通過分析專用零件攻絲過程與產(chǎn)品加工要求，利用西門子PLC與松下伺服電機(jī)相結(jié)合，采用伺服電機(jī)位置控制模式，設(shè)計(jì)了專用自動(dòng)攻絲系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，提高了生產(chǎn)效率;合理利用主機(jī)自帶的兩路高速脈沖輸出端口控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，節(jié)約了成本。其應(yīng)用還可以擴(kuò)展到類似的兩臺(tái)伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)控制的加工設(shè)備中，對(duì)類似的運(yùn)動(dòng)控制方式具有一定的參考借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張傳林,徐世許,王世紅,等.伺服系統(tǒng)在自動(dòng)攻絲生產(chǎn)線上的應(yīng)用.機(jī)械制造與自動(dòng)化,2010,39(1):146-147.

[2]李清香,丁時(shí)鋒,熊儉,等.PLC控制的液壓剪板機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(11):156-157.

[3]黃輝,郝曉曦,楊鐵牛,等.PLC控制的專用鉆孔系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(11):63-65.

[4]劉媛媛,張如萍,張正和,等.基于伺服電機(jī)和PLC的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制.機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012(4):126-128.

[5]胡佳麗,閆寶瑞,張安震,等.S7-200 PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用.自動(dòng)化儀表,2009,30(12):38-41.

[6]劉本學(xué),申俊,董剛,等.高效自動(dòng)攻絲機(jī)的設(shè)計(jì)及控制研究.制造業(yè)自動(dòng)化,2014(21):87-90.

文章編號(hào)：1672-6413(2016)04-0149-02

收稿日期：2015-12-04；

修訂日期：2016-05-19

作者簡(jiǎn)介：楊俠(1978-)，男，湖北安陸人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事石油機(jī)械、化工機(jī)械、電氣自動(dòng)化方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Special Automatic Tapping System Based on PLC

YANG Xia, LI Shu-peng, XIAO Ang, GUO Zhao

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073,China)

Abstract： A special automatic tapping system is designed to improve production efficiency and machining precision of the special tapping parts by cooperating with the enterprise. The system is mainly comprised of Siemens 200 series PLC that is the main controller, Panasonic A5 series servo motor as the actuator, matching servo drive as hardware platform. By using STEP7-Micro/WIN software to write instructions to generate high-speed pulse sequence, the position control of AC servo driver is achieved, it has finally achieved the precise positioning fabrication of the parts. The system operation is simple, safe and stable, which improves the production efficiency and reduces the manufacturing cost. It will has a good application foreground in the aspect of special components bath tapping, and the control method has certain reference value for similar automation production equipment.

Key words： special automatic tapping system; PLC; position control

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276131)