廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃金娥

大中型金相試樣切割機(jī)基于復(fù)雜程序操作嵌入PLC的研發(fā)探討

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃金娥

大中型金相試樣切割機(jī)，主要以觸摸式屏幕和編程用的控制設(shè)備為核心。這種控制體系能夠針對(duì)不同種類(lèi)的金屬，采取多種切割方式，變換切割速度。對(duì)于金屬的切割全過(guò)程，都是由PLC這種程序來(lái)進(jìn)行宏觀把握的。操作人員可以通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏來(lái)設(shè)置各種切割參數(shù)，同時(shí)及時(shí)了解動(dòng)態(tài)的切割流程?；趶?fù)雜程序操作嵌入PLC，可以根據(jù)具體的情況來(lái)設(shè)定砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，并適當(dāng)調(diào)整切割配件的速度，進(jìn)而提升大中型金相試樣切割設(shè)備的控制精確程度。為了增加操作系統(tǒng)切割金屬的穩(wěn)定程度和適應(yīng)程度，本文著重探討大中型金相試樣切割機(jī)基于復(fù)雜程序操作嵌入PLC的研發(fā)技術(shù)。

大中型金相試樣切割機(jī)；基于復(fù)雜程序操作；嵌入PLC；研發(fā)

1.前言

大中型金相試樣切割設(shè)備，是開(kāi)展金相抽樣研究活動(dòng)的必要設(shè)備，它主要應(yīng)用于獲取金相試樣、配置各種材料以及金屬切口等。目前，大中型金相試樣切割設(shè)備被廣泛使用在機(jī)械制造、冶金、汽車(chē)加工、航天等多種領(lǐng)域。現(xiàn)存的大中型金相試樣切割設(shè)備種類(lèi)豐富，其中建立在微型處理器基礎(chǔ)上的制樣設(shè)施，運(yùn)用了金相制造的前沿科技。然而，這類(lèi)設(shè)備的自動(dòng)程度偏低，不能實(shí)現(xiàn)大型零件的直接取樣。為了達(dá)到行業(yè)制造的具體標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)金相試樣研究的進(jìn)步，我們需要研制精確度更高、性能更加優(yōu)良和方便使用的金相試樣切割體系。技術(shù)人員依據(jù)金相試樣的特殊性質(zhì)，研制出了基于復(fù)雜程序操作嵌入PLC技術(shù)，并增添了觸摸屏幕作為操作人員和設(shè)備之間的交互窗口。這就彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)備在交互方面的缺陷，減少了輸入操作和輸出操作的端點(diǎn)數(shù)量，使得設(shè)備更加便于維護(hù)和管理。

2.大中型金相試樣切割機(jī)原理

金相試樣切割設(shè)備，是金相樣本抽取的專(zhuān)門(mén)設(shè)施。為了保護(hù)被抽取金屬樣品的原有構(gòu)造和結(jié)構(gòu)性能，對(duì)于種類(lèi)不同的金屬物質(zhì)，應(yīng)當(dāng)采用不同的切割方法和速度。在金相試樣切割的控制體系內(nèi)部，我們?cè)O(shè)計(jì)了測(cè)量操作窗口、手動(dòng)窗口和自動(dòng)窗口三種窗口，并增添了一個(gè)級(jí)別較高的設(shè)計(jì)窗口和一個(gè)用于查看金屬切割進(jìn)程的窗口。其中，自動(dòng)方式的操作包括勻速金屬試樣切割、進(jìn)三退一方式的金屬試樣切割，以及分層次的金屬試樣切割模式。選擇每一種金屬樣品切割方法的用戶，都可以在屏幕上不同的位置設(shè)置自己所需的技術(shù)參數(shù)，然后通過(guò)嵌入的PLC，來(lái)設(shè)置和它相對(duì)應(yīng)的參數(shù)用以調(diào)取控制命令，促使切割設(shè)備按照具體要求來(lái)切割金屬試樣。在裝置中，PLC和變頻設(shè)備通過(guò)串聯(lián)通訊的方法來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，系統(tǒng)采用協(xié)議方式來(lái)監(jiān)測(cè)和掌握電機(jī)的工作現(xiàn)狀。

3.基于復(fù)雜程序操作嵌入PLC的研發(fā)思路

從大中型金相試樣切割設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀和研發(fā)需要入手，遵循提升效率、提高可靠程度、提升設(shè)備性價(jià)比的根本原則，我們?cè)O(shè)計(jì)出的大中型金相試樣切割設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備下列功能：可以依照零件的具體尺寸，來(lái)確定不同的切割方法；可以依據(jù)材料堅(jiān)硬程度、規(guī)模等調(diào)整切割進(jìn)程；可以依據(jù)配件的長(zhǎng)寬和面積，來(lái)決定砂輪的打磨速度、軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和位移程度；可以準(zhǔn)確掌握砂輪葉片遭到磨損的狀況和配件直徑，并據(jù)以確定切割過(guò)程中的快進(jìn)端點(diǎn)和退刀端點(diǎn)；可以自行監(jiān)督測(cè)量金屬樣品的切割數(shù)量、切割進(jìn)展程度、主體電機(jī)的運(yùn)行速度等技術(shù)參數(shù)。

為了使得研發(fā)方案達(dá)到金相試樣切割的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提升加工機(jī)械的自動(dòng)化水平，我們可以重點(diǎn)研究嵌入PLC的技術(shù)和觸摸屏幕技術(shù)，以便改進(jìn)大中型金相試樣切割設(shè)備。

4.裝置硬件設(shè)置

大中型金相試樣切割機(jī)的執(zhí)行配件包括三相異步類(lèi)型的電機(jī)和步進(jìn)類(lèi)型的電機(jī)。前者運(yùn)用變頻裝置來(lái)調(diào)節(jié)速度，后者由專(zhuān)有的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。切割系統(tǒng)的中心PLC控制設(shè)備發(fā)送命令信息，促進(jìn)異步類(lèi)型電機(jī)和步進(jìn)類(lèi)型電機(jī)協(xié)同工作，同時(shí)完成金屬試樣的切割操作。

（1）PLC控制中心

PLC是大中型金相樣品切割裝置的控制中心。PLC是在專(zhuān)門(mén)的操作環(huán)境下設(shè)計(jì)出的用于執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)的電子設(shè)備，是內(nèi)部裝有存儲(chǔ)設(shè)施、能夠編程的控制設(shè)施。PLC可以儲(chǔ)存和操作命令，完成邏輯演算、順序監(jiān)控、時(shí)間設(shè)定、數(shù)值記錄等一系列操作，并以數(shù)字方式和模擬方式進(jìn)行輸出和輸入，從而實(shí)現(xiàn)有效管理各類(lèi)機(jī)械操作過(guò)程的目標(biāo)。

PLC具有體積較小、功能多樣、便于編程、耐用性強(qiáng)、可以在惡劣條件下工作等優(yōu)勢(shì)，因此，這種裝置已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在自動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域中。

（2）速度調(diào)節(jié)裝置

在大中型金相樣品切割裝置中，通常采用變頻設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)切割速度。在運(yùn)用電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的磁通量應(yīng)當(dāng)被重點(diǎn)考慮。當(dāng)磁通量過(guò)于微弱時(shí)，電機(jī)就會(huì)發(fā)生欠磁通的現(xiàn)象，這將會(huì)在很大程度上影響到電機(jī)設(shè)備輸出的轉(zhuǎn)矩。電機(jī)內(nèi)部磁通量的減小，會(huì)直接導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的縮小。因此，在轉(zhuǎn)換電機(jī)的工作頻率時(shí)，要妥善控制電機(jī)自身的電壓，以便使電機(jī)的磁通保持在一個(gè)恒定的數(shù)值上。依據(jù)金屬樣品切割設(shè)備的主要電機(jī)參數(shù)，系統(tǒng)選擇了特定型號(hào)的變頻裝置，通過(guò)設(shè)置特定的功率數(shù)值變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于主要電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度改變的控制。試驗(yàn)結(jié)果表明：這二者之間的關(guān)系接近于一種線性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)速度的目的。

PLC的輸出方式為漏斗形狀的晶體管輸出，它和變頻設(shè)備之間的信息交流采用了協(xié)議的方式，利用串行口來(lái)進(jìn)行通訊。為了保證設(shè)備的工作安全，變頻裝置的端口要與地面連接。

（3）步進(jìn)電機(jī)體系

步進(jìn)式的電機(jī)，可以將電脈沖形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移，它是一種電磁設(shè)備機(jī)械。在電機(jī)內(nèi)部加入一個(gè)脈沖形式的信號(hào)，電機(jī)就會(huì)沿著預(yù)定的方向旋轉(zhuǎn)特定角度。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度要與輸入設(shè)備的脈沖信號(hào)頻率保持一致。系統(tǒng)用控制脈沖數(shù)量的方式來(lái)控制角度位置移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目標(biāo)；用控制脈沖信號(hào)頻率的方式來(lái)控制電機(jī)自身旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的目標(biāo)。三個(gè)方向的步進(jìn)式電機(jī)是由三個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)啟動(dòng)的，每一個(gè)方向的步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括三種輸入端口，分別為使能輸入端口、步進(jìn)式脈沖輸入端口和方向信號(hào)輸入端口。

5.裝置軟件設(shè)置

（1）主要系統(tǒng)軟件設(shè)置

軟件程序負(fù)責(zé)完成體系的初始化，通過(guò)設(shè)定切割數(shù)值，來(lái)啟動(dòng)金相樣品切割設(shè)備，并將參量傳送到觸摸屏幕上以供查看。金相樣品切割程序的初始化，主要任務(wù)是完成軟件初始數(shù)值、系統(tǒng)內(nèi)存、輸入輸出端口和相關(guān)硬件電路的初始化，使得PLC和與之相連的外部電路系統(tǒng)準(zhǔn)備進(jìn)入工作狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程主要涵蓋了RAM單元、觸摸屏幕電流以及端口接入方式的初始化活動(dòng)。

在開(kāi)始切割金屬樣品之前，我們首先要正確設(shè)定切割金屬的流程參數(shù)。自動(dòng)方式的操作，主要包括了勻速方式切割、進(jìn)三退一方式切割以及分層切割三種類(lèi)型。我們還可以為每一種方式設(shè)計(jì)與之相對(duì)應(yīng)的高級(jí)設(shè)計(jì)選項(xiàng)和加密選項(xiàng)，這樣既能起到簡(jiǎn)化操作的效果，又為系統(tǒng)增添了安全保障。

（2）觸摸屏幕程序設(shè)置

輸入體系和顯示體系，是金相樣品切割控制的兩種重要體系，也是設(shè)備操作人員和設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)交流的紐帶。切割機(jī)的控制體系，采用特定型號(hào)的觸摸式屏幕作為工作人員和設(shè)備之間的交互窗口，主要任務(wù)是設(shè)定各種切割參數(shù)并及時(shí)顯示數(shù)據(jù)。PLC和觸摸屏幕之間利用串行口來(lái)進(jìn)行通信和傳遞命令，其基礎(chǔ)是協(xié)議。我們可以從現(xiàn)實(shí)需要出發(fā)，來(lái)設(shè)置體系的工作狀態(tài)。

觸摸式屏幕是專(zhuān)門(mén)針對(duì)PLC設(shè)計(jì)的，也十分適合應(yīng)用在PLC裝置上面。這種屏幕的功能比較齊全，用戶能夠根據(jù)需要來(lái)組合不同的文字、數(shù)據(jù)、圖案和按鈕等，以便處理或者監(jiān)管切割過(guò)程，并應(yīng)對(duì)隨時(shí)改變的信息。功能多樣的展示屏幕具有自己的任務(wù)欄和窗口按鈕，可以迅速切換窗口，運(yùn)用起來(lái)省時(shí)便捷，能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。

金相樣品切割系統(tǒng)的觸摸式界面，利用了具有專(zhuān)門(mén)作用的組態(tài)工具。當(dāng)系統(tǒng)被接通電源之后，觸摸屏幕會(huì)啟動(dòng)用于系統(tǒng)初始化的界面，用戶進(jìn)入界面并輸入自己的密碼，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證之后就可以選擇操作的種類(lèi)了。而級(jí)別較高的系統(tǒng)設(shè)置和加密環(huán)節(jié)，是專(zhuān)門(mén)為需要采取保密措施的參數(shù)設(shè)置的。用戶點(diǎn)擊高級(jí)別設(shè)置的按鈕之后，必須輸入完全準(zhǔn)確的密碼，才能夠進(jìn)入這個(gè)界面，并設(shè)置自己需要的保密參數(shù)。當(dāng)用戶設(shè)定完所有的保密參數(shù)之后，再啟動(dòng)裝置，系統(tǒng)就開(kāi)始了自動(dòng)化的金屬切割過(guò)程。這時(shí)，如果用戶想了解樣品切割的進(jìn)展?fàn)顩r，那么可以進(jìn)入到用來(lái)觀察金相切割流程的窗口，用圖形來(lái)完整再現(xiàn)金相樣品的切割工作過(guò)程。其中的箭頭用來(lái)表示切割的具體位置。

6.結(jié)語(yǔ)

在準(zhǔn)確把握金相試樣切割設(shè)備原理的基礎(chǔ)上，采用復(fù)雜程序操作嵌入PLC，作為整個(gè)系統(tǒng)控制的中心，并設(shè)置了良好的互動(dòng)界面，研究出各種狀況下不同類(lèi)別金屬切割試樣的控制體系。這種復(fù)雜程序的特點(diǎn)包括：選擇PLC技術(shù)來(lái)進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，方便操作人員編程，增添了體系的可靠程度，拓展了輸出操作和輸入操作的途徑。這種嵌入技術(shù)為整個(gè)切割設(shè)備節(jié)約了空間資源，并為系統(tǒng)用戶提供了簡(jiǎn)便友好的系統(tǒng)界面。采用協(xié)議方式控制的變頻設(shè)備，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)和適應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明：此類(lèi)大中型金相試樣切割機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠保持性能的基本穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，性價(jià)比高，成本較低，在切割金屬的控制精準(zhǔn)程度上已經(jīng)滿足了用戶的需求。

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黃金娥（1965—），女，廣西隆安人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，技師，研究方向：電氣自動(dòng)化。