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不同種類的金屬，采取多種切割方式，變換切割速度。對于金屬的切割全過程，都是由PLC這種程序來進(jìn)行宏觀把握的。操作人員可以通過點擊觸摸屏來設(shè)置各種切割參數(shù)，同時及時了解動態(tài)的切割流程?；趶?fù)雜程序操作嵌入PLC，可以根據(jù)具體的情況來設(shè)定砂輪轉(zhuǎn)動的速度，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，是開展金相抽樣研究活動的必要設(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、汽車加工、航天等多種領(lǐng)域?，F(xiàn)存的大中型金相試樣切割設(shè)備種類豐富，其中建立在微型處理器基礎(chǔ)上的制樣設(shè)施，運用了金相制造的前沿科技。然而，這類設(shè)備的自動程度偏低，不能實現(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門設(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，對于種類不同的金屬物質(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，我們設(shè)計了測量操作窗口、手動窗口和自動窗口三種窗口，并增添了一個級別較高的設(shè)計窗口和一個用于查看金屬切割進(jìn)程的窗口。其中，自動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)，然后通過嵌入的PLC，來設(shè)置和它相對應(yīng)的參數(shù)用以調(diào)取控制命令，促使切割設(shè)備按照具體要求來切割金屬試樣。在裝置中，PLC和變頻設(shè)備通過串聯(lián)通訊的方法來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，系統(tǒng)采用協(xié)議方式來監(jiān)測和掌握電機(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)備性價比的根本原則，我們設(shè)計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，來確定不同的切割方法；可以依據(jù)材料堅硬程度、規(guī)模等調(diào)整切割進(jìn)程；可以依據(jù)配件的長寬和面積，來決定砂輪的打磨速度、軸承的運轉(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)以確定切割過程中的快進(jìn)端點和退刀端點；可以自行監(jiān)督測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)，同時提升加工機(jī)械的自動化水平，我們可以重點研究嵌入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型的電機(jī)和步進(jìn)類型的電機(jī)。前者運用變頻裝置來調(diào)節(jié)速度，后者由專有的驅(qū)動裝置來進(jìn)行驅(qū)動。切割系統(tǒng)的中心PLC控制設(shè)備發(fā)送命令信息，促進(jìn)異步類型電機(jī)和步進(jìn)類型電機(jī)協(xié)同工作，同時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是在專門的操作環(huán)境下設(shè)計出的用于執(zhí)行運算任務(wù)的電子設(shè)備，是內(nèi)部裝有存儲設(shè)施、能夠編程的控制設(shè)施。PLC可以儲存和操作命令，完成邏輯演算、順序監(jiān)控、時間設(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，從而實現(xiàn)有效管理各類機(jī)械操作過程的目標(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，因此，這種裝置已經(jīng)被廣泛運用在自動工業(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)備來調(diào)節(jié)切割速度。在運用電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時，電機(jī)內(nèi)部的磁通量應(yīng)當(dāng)被重點考慮。當(dāng)磁通量過于微弱時，電機(jī)就會發(fā)生欠磁通的現(xiàn)象，這將會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，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)選擇了特定型號的變頻裝置，通過設(shè)置特定的功率數(shù)值變化，來實現(xiàn)對于主要電機(jī)運轉(zhuǎn)速度改變的控制。試驗結(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)部加入一個脈沖形式的信號，電機(jī)就會沿著預(yù)定的方向旋轉(zhuǎn)特定角度。電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度要與輸入設(shè)備的脈沖信號頻率保持一致。系統(tǒng)用控制脈沖數(shù)量的方式來控制角度位置移動，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目標(biāo)；用控制脈沖信號頻率的方式來控制電機(jī)自身旋轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的目標(biāo)。三個方向的步進(jìn)式電機(jī)是由三個驅(qū)動裝置來啟動的，每一個方向的步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動設(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，通過設(shè)定切割數(shù)值，來啟動金相樣品切割設(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)。這個過程主要涵蓋了RAM單元、觸摸屏幕電流以及端口接入方式的初始化活動。

在開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型。我們還可以為每一種方式設(shè)計與之相對應(yīng)的高級設(shè)計選項和加密選項，這樣既能起到簡化操作的效果，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)備本身實現(xiàn)交流的紐帶。切割機(jī)的控制體系，采用特定型號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)并及時顯示數(shù)據(jù)。PLC和觸摸屏幕之間利用串行口來進(jìn)行通信和傳遞命令，其基礎(chǔ)是協(xié)議。我們可以從現(xiàn)實需要出發(fā)，來設(shè)置體系的工作狀態(tài)。

觸摸式屏幕是專門針對PLC設(shè)計的，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)管切割過程，并應(yīng)對隨時改變的信息。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，運用起來省時便捷，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，利用了具有專門作用的組態(tài)工具。當(dāng)系統(tǒng)被接通電源之后，觸摸屏幕會啟動用于系統(tǒng)初始化的界面，用戶進(jìn)入界面并輸入自己的密碼，經(jīng)過系統(tǒng)驗證之后就可以選擇操作的種類了。而級別較高的系統(tǒng)設(shè)置和加密環(huán)節(jié)，是專門為需要采取保密措施的參數(shù)設(shè)置的。用戶點擊高級別設(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，再啟動裝置，系統(tǒng)就開始了自動化的金屬切割過程。這時，如果用戶想了解樣品切割的進(jìn)展?fàn)顩r，那么可以進(jìn)入到用來觀察金相切割流程的窗口，用圖形來完整再現(xiàn)金相樣品的切割工作過程。其中的箭頭用來表示切割的具體位置。

6.結(jié)語

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，作為整個系統(tǒng)控制的中心，并設(shè)置了良好的互動界面，研究出各種狀況下不同類別金屬切割試樣的控制體系。這種復(fù)雜程序的特點包括：選擇PLC技術(shù)來進(jìn)行模塊設(shè)計，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)為整個切割設(shè)備節(jié)約了空間資源，并為系統(tǒng)用戶提供了簡便友好的系統(tǒng)界面。采用協(xié)議方式控制的變頻設(shè)備，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)和適應(yīng)?，F(xiàn)場測量結(jié)果表明：此類大中型金相試樣切割機(jī)在運行時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)院實驗師，技師，研究方向：電氣自動化。