劉輝 王曉剛
(內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份公司, 內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029000)
數(shù)字液壓缸主要有步進(jìn)電機(jī)、減速齒輪和液壓力放大器等幾大部分組成。數(shù)字液壓缸的工作正是由步進(jìn)電機(jī)接受控制電路所輸出的脈沖信號(hào),然后進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)的功率放大,驅(qū)動(dòng)液壓缸輸出功率及位移。
本文所述掘進(jìn)機(jī)器人即是通過(guò) PLC 直接控制數(shù)字液壓缸,從而帶動(dòng)懸臂的上下和左右的擺動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人的仿形切割。其數(shù)字液壓缸控制方案如圖1 所示。
圖1 數(shù)字液壓缸控制方案
PLC 控制數(shù)字液壓缸主要有三個(gè)因素:
1)行程控制,數(shù)字液壓缸活塞的行程正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù)
式中, LΔ——數(shù)字液壓缸活塞位移量(mm);
δ——活塞位移的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)。
2)速度控制,數(shù)字液壓缸活塞的速度取決于PLC 輸出的脈沖頻率
式中,fv——數(shù)字液壓缸活塞的進(jìn)給速度(mm)。
3)運(yùn)動(dòng)方向控制,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向,因此可以通過(guò)PLC 的輸出端輸出高低電平的方向控制信號(hào)來(lái)改變硬件環(huán)形分配器的輸出順序,或者通過(guò)編程來(lái)改變PLC 輸出脈沖的順序,從而改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序。
數(shù)字液壓缸控制系統(tǒng)由可編程控制器(PLC)、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器和環(huán)形分配器所組成。
PLC 輸出一定數(shù)量的數(shù)字脈沖信號(hào),控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角,從而控制數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng),同時(shí)PLC 可以通過(guò)編程來(lái)控制輸出脈沖的頻率,進(jìn)而可以控制數(shù)字液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的速度。PLC 通過(guò)環(huán)行脈沖分配器將其輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。步進(jìn)電機(jī)采用軟件環(huán)行分配器和硬件環(huán)行分配器均可[。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器可以放大PLC 輸出的控制脈沖,通常功率步進(jìn)電機(jī)需要幾十伏到上百伏、幾安到十幾安的驅(qū)動(dòng)能力,雖然PLC 的輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)能力,而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾到幾十伏、幾十到幾百毫安,所以必須采用驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出脈沖進(jìn)行放大。
本文所述掘進(jìn)機(jī)器人,共有三個(gè)數(shù)字液壓缸,均采用硬件環(huán)形分配器,每個(gè)數(shù)字液壓缸占用PLC 的IO 口點(diǎn)數(shù)為3點(diǎn),其中I 口一點(diǎn),為啟動(dòng)控制信號(hào),O 口占用2 點(diǎn),一點(diǎn)為PLC 的脈沖輸出接口,另一點(diǎn)輸出步進(jìn)電機(jī)的方向控制信號(hào)。接口分配如圖2。
圖2 PLC 控制數(shù)字液壓缸的接口分配
若使PLC 輸出脈沖,可采用兩種方法:
1)通過(guò)PLC 軟件編程。三菱FX2N 系列PLC 的編程指令中,PLS/PLF 為脈沖輸出指令,使用指令PLS,元件僅在驅(qū)動(dòng)輸入接通后的一個(gè)掃描周期內(nèi)動(dòng)作;使用PLF 指令,元件僅在驅(qū)動(dòng)輸入斷開后的一個(gè)掃描周期內(nèi)動(dòng)作。輸出的脈沖總數(shù)可以用計(jì)數(shù)器來(lái)控制,當(dāng)脈沖總數(shù)達(dá)到我們所要求值時(shí),計(jì)數(shù)器可以切斷脈沖輸出回路。計(jì)數(shù)器可以采用斷電保持式增量計(jì)數(shù)器,它能夠在斷電后保持已經(jīng)記下的數(shù)值,再次通電后,只要復(fù)位信號(hào)從來(lái)沒(méi)有對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位過(guò),則計(jì)數(shù)器將在原來(lái)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)計(jì)數(shù)。輸出的頻率可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)控制周期。在對(duì)數(shù)字液壓缸運(yùn)動(dòng)速度要求較高時(shí),可以使用PLSY 指令,即以指定的頻率產(chǎn)生指定數(shù)量的脈沖的指令。
2)采用脈沖輸出模塊。三菱 FX2N 系列 PLC 配備有FX2N-1PG 脈沖輸出模塊,它配備有便于定位控制的七種操作模式,F(xiàn)X2N 可以連接多達(dá) 8個(gè)塊,輸出脈沖頻率高達(dá)100kHz,定位目標(biāo)的追蹤、運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及各種參數(shù)可以通過(guò)PLC 的FROM/TO 指令設(shè)定,除脈沖輸出外,還備有各種高速響應(yīng)的輸出端子。FX2N-1PG 脈沖輸入輸出性能見表1。
表1 FX2N-1PG 脈沖輸出模塊輸入輸出性能
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[3]萬(wàn)天才.多功率驅(qū)動(dòng)放大電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué),2000,30:56-58.