曾小松，龔邦明

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

1 前言

單根標(biāo)準(zhǔn)長度的鋼軌焊接在一起以后，由于焊接瘤等的存在，鐵軌表面平直度是達(dá)不到要求的，采用數(shù)控鋼軌精磨機(jī)進(jìn)行仿形磨削是當(dāng)前高精度、規(guī)?；庸さ闹饕侄?。

該精磨機(jī)主要由橫梁系統(tǒng)和搖擺系統(tǒng)兩部分組成，其中搖擺系統(tǒng)要求無級調(diào)速和旋轉(zhuǎn)的精確定位，筆者應(yīng)用PLC、變頻器及旋轉(zhuǎn)編碼器組成的交流變頻半閉環(huán)反饋系統(tǒng)有效解決了這一問題。

2 數(shù)控鋼軌精磨機(jī)搖擺系統(tǒng)簡述

數(shù)控鋼軌精磨機(jī)是磨削鋼軌焊接瘤的專業(yè)設(shè)備，它主要由橫梁系統(tǒng)和搖擺系統(tǒng)兩部分組成，其工作原理是通過橫梁系統(tǒng)的升降以及搖擺系統(tǒng)的左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使安裝在橫梁上的砂輪沿鋼軌的外輪廓對焊接瘤進(jìn)行仿形磨削。搖擺系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)定位是通過齒輪傳動(dòng)來完成的，當(dāng)磨頭處于垂直狀態(tài)時(shí)，其位置為0#位，對應(yīng)角度為0°，設(shè)定向前轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)，向后轉(zhuǎn)動(dòng)為正。由于前后對稱關(guān)系，表1僅列出正轉(zhuǎn)時(shí)的位置及對應(yīng)角度［1］。

表1 磨頭位置及對應(yīng)角度

搖擺系統(tǒng)(如圖1所示)的機(jī)械部分由變頻電機(jī)、轉(zhuǎn)向器、旋轉(zhuǎn)編碼器、減速機(jī)、主軸和執(zhí)行齒輪對等組成，其中變頻電機(jī)選用的型號為YVF2-90L-4-J611005，標(biāo)稱電流 3.7A，標(biāo)稱功率 1.5kW，額定電壓380V，額定轉(zhuǎn)矩9.5N·m;旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在連接變頻電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)向器上，是一種A、B兩相增量型編碼器，脈沖量為1000;減速機(jī)為4級1.5kW，傳動(dòng)比為63的斜齒輪蝸輪蝸桿減速機(jī);執(zhí)行齒輪對由大小兩對圓柱齒輪構(gòu)成，傳動(dòng)比為8，小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使固定在大齒輪上的橫梁系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，工作轉(zhuǎn)速為3 r/min。

圖1 數(shù)控鋼軌精磨機(jī)搖擺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 數(shù)控鋼軌精磨機(jī)搖擺系統(tǒng)的控制

3.1 控制策略

本系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制策略，如圖2所示。半閉環(huán)控制系統(tǒng)不是將輸出量反饋到輸入端，而是將控制環(huán)節(jié)的中的某個(gè)過程量進(jìn)行閉環(huán)控制，起到穩(wěn)定該過程量的作用。由于調(diào)試維修方便，穩(wěn)定性好，該系統(tǒng)目前應(yīng)用比較廣泛［2］。

圖2 半閉環(huán)控制圖

系統(tǒng)中由于控制終端大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)停留位置較多，如果采用閉環(huán)控制，每個(gè)位置都安裝傳感器進(jìn)行檢測反饋比較復(fù)雜且成本較高;如果采用開環(huán)控制，則精度不夠。理論和實(shí)踐表明，在充分考慮機(jī)械傳動(dòng)誤差的情況下采用半閉環(huán)控制是適合本系統(tǒng)的。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由1臺三菱GT1050型觸摸屏，1臺三菱FX2N系列小型可編程控制器，1個(gè)FX2N-2DA模擬量模塊，1臺三菱FR-E700系列變頻器，1個(gè)旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器和3個(gè)光電接近開關(guān)等元件組成，實(shí)現(xiàn)搖擺過程中基本邏輯動(dòng)作、閉環(huán)控制、檢測和人機(jī)通訊四大功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三菱GT1050型觸摸屏為5.7英寸型QVGA 320×240點(diǎn)液晶顯示屏，觸摸開關(guān)最大數(shù)量50個(gè)/畫面，內(nèi)置 USB、RS-422、RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口［3］。系統(tǒng)中觸摸屏與PLC以RS-422協(xié)議建立通訊連接，通過改變PLC的數(shù)據(jù)存儲器值或變量值，來設(shè)定搖擺系統(tǒng)的目標(biāo)位置，旋轉(zhuǎn)速度以及啟、停等控制。

根據(jù) I/O點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)選用 FX2N-48MR型PLC［4］，一方面通過內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器對旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來精確控制大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度;另一方面與FX2N-2DA模擬量模塊之間使用FROM/TO指令進(jìn)行傳輸，可將數(shù)字量0～4000轉(zhuǎn)化為0～10V的電壓信號，以此作為變頻器模擬端頻率給定信號來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)選用的變頻器為三菱FR-E700系列中的FR-E740-1.5K-CHT，該變頻器是一款經(jīng)濟(jì)型高性能變頻器，擁有1.5kW輸出功率，內(nèi)置Modbus-RTU協(xié)議，停止精度高，加選件卡可以支持 CC-Link、LONWORKS、Deveice-Net、Profibus-DP 等通訊［5］。在系統(tǒng)中變頻器與PLC以RS-485協(xié)議建立通訊連接，精確控制變頻電機(jī)的啟/停、正/反轉(zhuǎn)、多種工作轉(zhuǎn)速等。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)主要包括上電初始化和自動(dòng)擺動(dòng)兩個(gè)方面。三菱FX2N內(nèi)部包含基本邏輯指令、步進(jìn)順控指令和功能指令，配合擴(kuò)展模塊的特殊指令能靈活的進(jìn)行編程，且修改方便、運(yùn)行穩(wěn)定，并且在使用設(shè)計(jì)/維護(hù)工具GX-Developer完成編程后，還能利用其中的“梯形圖邏輯測試”模塊進(jìn)行程序仿真。程序流程圖如圖4所示。

圖4中，首先進(jìn)行上電初始化。主要是使磨頭處于0#位，其流程是讓大齒輪以一定速度正轉(zhuǎn)，當(dāng)0#位安裝的接近開關(guān)檢測到的時(shí)候即停止，而如果是16#號位安裝的接近開關(guān)先檢測到的時(shí)候也停止，然后反轉(zhuǎn)直到0#位。在自動(dòng)擺動(dòng)過程中，根據(jù)輸入的不同脈沖數(shù)大齒輪先向正方向以工作速度1從0#位依次轉(zhuǎn)動(dòng)到各個(gè)位置，到達(dá)16#位后再以工作速度2反轉(zhuǎn)回0#位，反方向工作方式同理。

圖4 自動(dòng)狀態(tài)下的程序流程圖

4 結(jié)論

本文介紹了在數(shù)控鋼軌精磨機(jī)搖擺系統(tǒng)中運(yùn)用PLC、變頻器以及旋轉(zhuǎn)編碼器等組成的半閉環(huán)控制如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的問題。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單可靠、運(yùn)行靈活、性價(jià)比高，軟件編程功能完善，在工作過程中具有操作簡單、自動(dòng)化程度高、設(shè)備可維護(hù)性好等特點(diǎn)。

［1］ MMA-14AL鋼軌精磨機(jī)說明書［Z］.拉伊臺克鐵路技術(shù)(武漢)有限公司.

［2］ 竺長安，張 屹.控制理論與機(jī)械系統(tǒng)控制［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［3］ 阮龍德.PLC、變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［4］ FX系列PLC選型指南［Z］.三菱公司.

［5］ FR-E700系列變頻器使用手冊［Z］.三菱公司.