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        卷繞成型機(jī)設(shè)計中PLC和伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用

        2014-04-29 22:38:03李文才
        中國機(jī)械 2014年11期
        關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

        李文才

        【摘要】卷繞成型機(jī)從半自動化到自動化設(shè)計,需要依靠PLC和伺服控制系統(tǒng)的核心作用,從而實現(xiàn)運轉(zhuǎn)功能和效率的提升。本文介紹了卷繞成型機(jī)的基本設(shè)計,并對PLC與伺服系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計做了分析,希望能為卷繞成型機(jī)設(shè)計和使用提供參考。

        【關(guān)鍵詞】卷繞成型機(jī);伺服系統(tǒng);設(shè)計;應(yīng)用

        1.卷繞成型機(jī)的基本設(shè)計

        卷繞成型機(jī)設(shè)計的基本思路是將傳統(tǒng)設(shè)計中的電機(jī)控制改為伺服系統(tǒng)控制,成型部分手動改為電機(jī)控制,在PLC控制下完成運轉(zhuǎn),其3D結(jié)構(gòu)圖見圖1。

        圖1 卷繞成型機(jī)3D結(jié)構(gòu)圖

        卷繞成型機(jī)運轉(zhuǎn)工作流程為:自動進(jìn)筒裝置完成空筒與卷繞繩線初始位置的方式→伺服電機(jī)控制按照卷繞方案運作的卷繞頭→卷繞方案下總控裝置控制卷繞位置并成型→完成卷繞,切斷繩線,卸下成品卷筒。根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)所示,伺服電機(jī)為皮帶、皮帶輪與齒輪等傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的動力源,齒輪旋轉(zhuǎn)影響完成卷繞桿與頭的旋轉(zhuǎn),可根據(jù)實際需求調(diào)整,達(dá)到美觀效果。高速旋轉(zhuǎn)下,要限定停止區(qū)域避免發(fā)生機(jī)械碰撞、卷筒碰撞與電氣事故等。為卸筒方便,卷繞桿與頭最佳關(guān)系為直角,可避免碰撞、連續(xù)卷繞,伺服電機(jī)位置控制作用是核心[1]。考慮到不同卷材需求,PLC與觸摸屏連接提供不同卷繞方案,伺服電機(jī)與卷繞頭配合完成卷繞任務(wù)。

        2.PLC與伺服系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)用

        2.1 PLC與伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

        對于卷繞成型機(jī)而言,PLC控制指令與編碼器檢測帶的位置反饋脈沖共同進(jìn)入伺服系統(tǒng),通過比較位置信息進(jìn)行準(zhǔn)確矯正,完成速度控制器ASR的給定,調(diào)節(jié)電流與功率,確保卷繞頭始終想著偏差減小的方向宣傳。位置指令作為隨機(jī)變量,輸出必須準(zhǔn)確跟蹤變化,所以伺服系統(tǒng)內(nèi)位置隨動系統(tǒng)必須保證快速性、靈活性與準(zhǔn)確性,這一使命由三閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn),通過速度環(huán)、電流環(huán)與位置環(huán)的配合實現(xiàn)控制目標(biāo)。三閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

        圖 2 三閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)內(nèi)速度與位置傳感器檢測運行速度并轉(zhuǎn)化為光電編碼反饋給系統(tǒng),通過編碼器轉(zhuǎn)換并與磁極位置檢測完成電樞電流控制。整流器將三相交流電變?yōu)橹绷麟?,并通過電容器濾波平滑后提供給逆變器,配合PWM信號驅(qū)動,完成交流電與直流電在伺服電機(jī)電樞繞組中的應(yīng)用,其中PWM回路還會以一定頻率觸發(fā)功率器件的控制信號去,確保電壓與輸出頻率隨時保持協(xié)調(diào),確保電樞繞組中電流的良好正弦性[2]。速度與電流的控制以PI調(diào)節(jié)為主,作用為減少震蕩,穩(wěn)定控制速度,以確保位置控制時具備快速響應(yīng)能力和穩(wěn)態(tài)時強(qiáng)勢的轉(zhuǎn)矩特征,抑制各種擾動。

        2.2 PLC與伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

        PLC脈沖信號與伺服電機(jī)脈沖信號需要經(jīng)過電子齒輪的偏差設(shè)計才能夠進(jìn)入伺服控制器,電子齒輪作為分頻器,可根據(jù)實際應(yīng)用需要搭配分倍頻值,PLC控制中,不顧及減速和編碼器脈沖數(shù),計算與應(yīng)用相對簡單。以本次研究中所提到的卷繞成型機(jī)為例,其具體應(yīng)用情況如下:

        條件:圈旋轉(zhuǎn)角360°、機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動減速比3∶1、編碼器反饋脈沖2500P/R、1指令單位定0.1°,旋轉(zhuǎn)一周指令數(shù):360/0.1=3600 個

        電子齒輪比計算公式:(編碼器脈沖數(shù)×4/負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈的指令量)×減速比

        則B/A=(2500×4/3600)×3=25/3

        比如在伺服系統(tǒng)中使用信捷DS2-20P7伺服電機(jī)及驅(qū)動器,使用PLC進(jìn)行編程,可實現(xiàn)輸出3600個脈沖實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周,驅(qū)動卷繞頭完成一周旋轉(zhuǎn),其中脈沖的數(shù)量決定了卷繞頭旋轉(zhuǎn)位置,脈動頻率決定卷繞頭旋轉(zhuǎn)速度。

        2.3 PLC與伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計

        PLC與伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計以PLC為主控單位完成內(nèi)部運行各個部分的協(xié)調(diào)與自動控制。PLC的多運動模塊滿足多樣化控制需求,同時對于遠(yuǎn)距離電機(jī)也可通過總線網(wǎng)絡(luò)通信方式實現(xiàn)同步調(diào)速與控制,減少布線數(shù)量,確保穩(wěn)定性。PLC連接構(gòu)成自動化系統(tǒng),包括設(shè)定工藝參數(shù)、系統(tǒng)設(shè)備停送電、故障報警與自動化監(jiān)控等,其電機(jī)結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)流程從觸摸屏、控制面板到PLC與擴(kuò)展模塊,最后送達(dá)氣動結(jié)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)[3]。設(shè)計中可選用信捷XC5(PLC)與DS2-20P7(伺服電機(jī))組合,功能性強(qiáng),拓展性佳。設(shè)計這種系統(tǒng)需要較多的I/O點數(shù),考慮到伺服驅(qū)動需要告訴脈沖,所以晶體管選用輸出型,型號選擇信捷CPU模塊XC5-48T-E和擴(kuò)展模塊XC-E8TR,一共28個輸入及輸出,其他諸如控制按鈕、開關(guān)、傳感器與限拉開關(guān)等則選用適合型號。

        做好硬件準(zhǔn)備之后,在軟件方面要根據(jù)運轉(zhuǎn)流程進(jìn)行設(shè)計,基本上保持啟動→伺服電機(jī)控制卷繞頭→步進(jìn)電機(jī)控制檔位成型→卷繞計數(shù)→氣動裝置卸筒→卸筒完成這一流程。在狀態(tài)顯示上,則以電檢測復(fù)位→卷繞成型功能→報警處理→狀態(tài)顯示等部分組成。電檢測復(fù)位確保系統(tǒng)處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài),急停報警對程序運行進(jìn)行監(jiān)測,及時發(fā)布報警信號,處理故障,同時停止主程序。經(jīng)過實際應(yīng)用調(diào)試之后,該卷繞成型機(jī)徹底完成,設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單,功能強(qiáng)大,系統(tǒng)穩(wěn)定性與拓展性較好,對比半自動化卷繞成型機(jī)來說優(yōu)越性大幅度提升,滿足了一些較常規(guī)的自動化使用功能,從應(yīng)用性上來說結(jié)構(gòu)上佳。

        卷繞成型機(jī)作為重要生產(chǎn)設(shè)備,從半自動化走向自動化的過程需要依靠PLC和伺服控制系統(tǒng)發(fā)揮核心作用,從軟硬件設(shè)計到具體應(yīng)用都要圍繞PLC和伺服控制系統(tǒng),從而最終實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升和設(shè)備性能的提高。

        3.參考文獻(xiàn)

        [1]司徒元舜,麥敏青.紡絲成網(wǎng)生產(chǎn)線中的高性能卷繞機(jī)[J].紡織導(dǎo)報,2011(12).

        [2]徐新.基于PLC的智能倉儲控制系統(tǒng)設(shè)計[J].江漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(03).

        [3]吉鳳.基于PLC與伺服電機(jī)控制的機(jī)械手設(shè)計方案[J].科技資訊,2012(24).

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