蔣　玲　柯　勇　萬鸞飛　王　浩　李　寧（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院　安徽蕪湖　241006）

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PLC伺服控制在實(shí)訓(xùn)裝配設(shè)備中的應(yīng)用

蔣玲柯勇萬鸞飛王浩李寧
（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院安徽蕪湖241006）

摘要：為了達(dá)到模擬生產(chǎn)性功能和整合學(xué)習(xí)功能的目標(biāo)，給學(xué)生提供一個(gè)與生產(chǎn)情況接近的教學(xué)設(shè)備環(huán)境，設(shè)計(jì)一種采用PLC伺服控制的實(shí)訓(xùn)裝配設(shè)備，搭建由PLC、伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)，系統(tǒng)PLC程序采用順序控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合控制。

關(guān)鍵詞：伺服驅(qū)動(dòng)控制；PLC；裝配設(shè)備；硬件設(shè)計(jì)；流程圖

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它綜合了伺服電動(dòng)機(jī)、角位移傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)控制器的最新成就，與采用新型電力電子器件、專用集成電路和新的控制算法的交流伺服驅(qū)動(dòng)器相匹配，組成新型高性能機(jī)電一體化產(chǎn)品。這種系統(tǒng)以僅僅數(shù)年的成長期迅速進(jìn)入鼎盛階段，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域及現(xiàn)代軍事裝備中獲得了越來越多的應(yīng)用，伺服控制系統(tǒng)逐漸成為工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動(dòng)源。[1][2]因此，培養(yǎng)掌握現(xiàn)代電氣控制技術(shù)，能熟練運(yùn)用伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的畢業(yè)生，是企業(yè)、社會(huì)對(duì)高職院校提出的要求。為此,本文針對(duì)實(shí)訓(xùn)裝配裝置的控制需求,采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓學(xué)生在完成相關(guān)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的過程中，掌握伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。

一、實(shí)訓(xùn)裝配設(shè)備的系統(tǒng)組成及控制要求

（一）裝配實(shí)訓(xùn)設(shè)備的系統(tǒng)組成。裝配實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要由供料機(jī)構(gòu)，裝配、沖壓機(jī)構(gòu)，磁性開關(guān)、傳感器等檢測(cè)元件，氣動(dòng)控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，各部分協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)工件裝配緊固的功能。其中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于控制工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的。

（二）實(shí)訓(xùn)裝配設(shè)備的控制要求。根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝配設(shè)備的工藝要求，其控制系統(tǒng)的控制要求為：

1.接通電源和氣源后，系統(tǒng)首先進(jìn)行復(fù)位操作，使自動(dòng)回到原點(diǎn)狀態(tài)，若滿足則相應(yīng)的信號(hào)指示，允許運(yùn)行。

2.滿足運(yùn)行條件方可啟動(dòng)設(shè)備，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)按加工工藝過程運(yùn)行。

3.系統(tǒng)在工作過程中，若給出停止指令，將當(dāng)前工作周期的最后一步結(jié)束后方可停止工作。

4.設(shè)備設(shè)有急停功能。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）裝配裝置中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主令控制與檢測(cè)單元、伺服電動(dòng)機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、控制器、光電編碼器及等構(gòu)成。[3]其框圖如圖1所示。

圖1　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置控制組成框圖

1.伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選型。選擇合適的伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。伺服電機(jī)的選擇，要考慮到負(fù)載機(jī)構(gòu)，動(dòng)作模式，負(fù)載速度，定位精度，使用環(huán)境等因素，選擇電機(jī)的容量，額定轉(zhuǎn)速，額定扭矩及最大扭矩，轉(zhuǎn)子慣量，是否需要?jiǎng)x車，體積、質(zhì)量、尺寸等。選擇好了伺服電動(dòng)機(jī)之后，可以根據(jù)所選的伺服電動(dòng)機(jī)選擇對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器。

本設(shè)計(jì)選用Omron-歐姆龍通用SMARTSTEP2系列AC伺服系統(tǒng)即選用R88M-G20030H-Z伺服電動(dòng)機(jī)和R7D-BP02HH-Z伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該配置伺服電機(jī)為圓柱型無制動(dòng)器電機(jī)，容量為200W,額定轉(zhuǎn)速為3000rpm,施加電壓為AC200V（增量型）。AC伺服驅(qū)動(dòng)器為脈沖串輸入型，電源電壓為單相AC200V，適用電機(jī)容量為200W。能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。[4]在伺服電動(dòng)機(jī)的輸出軸上直接連接一個(gè)編碼器，該編碼器將伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移的信號(hào)傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。

2.控制器的選型。運(yùn)動(dòng)控制器用于伺服系統(tǒng)產(chǎn)生高速脈沖信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用三菱FX2N-48MT晶體管輸出型PLC作為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器，晶體管輸出型PLC的Y0、Y1輸出端口可以產(chǎn)生高頻率脈沖信號(hào)。

在這個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件。PLC為控制器。PLC發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)將接收到的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸的角位移或角速度輸出，從而帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。改變脈沖信號(hào)的極性和大小，便可改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。所以利用PLC輸出脈沖的頻率及個(gè)數(shù)來控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)——工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)角度。[3][5]

3.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外部接線及參數(shù)設(shè)置。

（1）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外部接線。由文獻(xiàn)[4]，AC伺服驅(qū)動(dòng)器各端口定義，輸入輸出信號(hào)（CN1）各引腳功能，設(shè)計(jì)在位置控制方式下，采用伺服驅(qū)動(dòng)器采用脈沖串加脈沖信號(hào)的方式接受脈沖輸入，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的外部接線如圖2所示,按照接線圖進(jìn)行接線。

圖2　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件接線圖

（2）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。打開PC中的CX-Drive伺服驅(qū)動(dòng)器編程軟件，按照表1設(shè)置伺服參數(shù)，然后下載到伺服驅(qū)動(dòng)器中。

表1　伺服參數(shù)設(shè)置

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中，AC伺服驅(qū)動(dòng)器指令脈沖輸入為PULS/SIGN（單脈沖輸入方式）即脈沖信號(hào)+脈沖方向。[5]三菱FX2N-48MT PLC可以產(chǎn)生高速脈沖輸出，常用的高速脈沖輸出指令為脈沖輸出指令PLSY和可調(diào)速的脈沖輸出指令PLSR。利用PLC的Y0輸出的高速脈沖，輸入到驅(qū)動(dòng)器的23號(hào)端子（PULS），另外，通過方向信號(hào)Y1控制驅(qū)動(dòng)器的（SIGN）。以旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的原點(diǎn)作為參考點(diǎn)，圓臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，方向信號(hào)Y1為OFF，反之，方向信號(hào)為ON。

PLC程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，編寫PLC程序并下載到PLC中進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

圖3　系統(tǒng)控制流程圖

從流程圖可知，從入料區(qū)至裝配區(qū)，裝配區(qū)至沖壓區(qū)，從沖壓區(qū)回到工作臺(tái)原點(diǎn)，這三個(gè)步的PLC程序都要用到定位控制，其中從入料區(qū)至裝配區(qū)，裝配區(qū)至沖壓區(qū)，這兩個(gè)工作步，PLC輸出端口產(chǎn)生指定的脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，脈沖輸出自動(dòng)停止，伺服電動(dòng)機(jī)也立即停止運(yùn)行，此時(shí)脈沖執(zhí)行完成標(biāo)志位特殊輔助繼電器M8029置1。而從沖壓區(qū)回到工作臺(tái)原點(diǎn)的控制過程中，其位控編程則采取的是讓PLC連續(xù)輸出脈沖信號(hào)，在到達(dá)原點(diǎn)位置時(shí)，強(qiáng)制使脈沖輸出指令停止執(zhí)行。下面列出從入料區(qū)至裝配區(qū)運(yùn)行程序段圖4和從旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)任意位置向原點(diǎn)回歸的程序段圖5。

圖4　從入料區(qū)至裝配區(qū)運(yùn)行程序段

當(dāng)S22為活動(dòng)步時(shí)，Y0開始輸出頻率為10000HZ的脈沖信號(hào)，其脈沖個(gè)數(shù)為44000個(gè)（這個(gè)數(shù)值需要通過計(jì)算伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試測(cè)定）。由于44000已經(jīng)超出了PLSY是個(gè)16位指令，而44000個(gè)脈沖個(gè)數(shù)已經(jīng)超出了三菱PLC16位指令的數(shù)據(jù)處理范圍，所以應(yīng)在PLSY指令前面加上D,使得PLSY指令變成32位指令。PLC輸出設(shè)定的44000個(gè)脈沖后，脈沖輸出停止，伺服電機(jī)停止運(yùn)行，達(dá)到定位的目的。當(dāng)設(shè)定的脈沖結(jié)束后，執(zhí)行完成標(biāo)志M8029動(dòng)作，激活下一步S23。

圖5　回原點(diǎn)過程中的PLC定位控制程序段

當(dāng)S26為活動(dòng)步時(shí)，Y0開始輸出頻率為8000HZ的脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)為88888個(gè)（此脈沖個(gè)數(shù)的設(shè)定要保證在達(dá)到原點(diǎn)前，伺服電機(jī)能夠連續(xù)運(yùn)行）。當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)至原點(diǎn)X0處，X0的常閉觸點(diǎn)斷開，輸出中斷，Y0也斷開，即強(qiáng)制停止輸出脈沖。所以在返回原點(diǎn)的PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證可靠地回到原點(diǎn)和運(yùn)行速度一般要慢一些，所以設(shè)定頻率要稍微低一些，并且用外部硬件的原點(diǎn)開關(guān)提供的信號(hào)使得脈沖輸出強(qiáng)制性停止。

PLC軟件程序是伺服驅(qū)動(dòng)控制的關(guān)鍵，在進(jìn)行裝配系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生可以在線調(diào)整脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率，很直觀地看到改變頻率和脈沖個(gè)數(shù)分別對(duì)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小產(chǎn)生的影響。為了對(duì)系統(tǒng)更好地保護(hù)，在系統(tǒng)開始運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)裝配實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)不滿足系統(tǒng)運(yùn)行條件即不在初始位置時(shí)，系統(tǒng)是不允許運(yùn)行的。這種情況下，為了操作方便,在自動(dòng)程序運(yùn)行的基礎(chǔ)上增設(shè)自動(dòng)復(fù)位程序,可以通過PLC程序使系統(tǒng)自動(dòng)返回原點(diǎn)，從而滿足運(yùn)行條件。只有在硬件滿足運(yùn)行條件后，系統(tǒng)方可運(yùn)行。

三、結(jié)語

PLC伺服驅(qū)動(dòng)控制的實(shí)訓(xùn)裝配設(shè)備，可以為學(xué)生提供一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)情況十分接近的教學(xué)設(shè)備環(huán)境，該設(shè)備從2010年開始使用，5年來結(jié)果表明，使得學(xué)生在完成裝配控制任務(wù)的過程中，掌握了伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，大大縮短了學(xué)生綜合實(shí)踐能力與企業(yè)實(shí)際需求之間的距離。該實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用可以更好地開展任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)做一體的教學(xué)活動(dòng)，[6][7]為其他職業(yè)院校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供很好的借鑒作用。

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[責(zé)任編輯鄭麗娟]

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳2014年高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014jyxm748)；2014年省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2014jyxm475）。

作者簡(jiǎn)介：蔣玲（1974-），女，安徽桐城人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院副教授，碩士，研究方向：PLC及自動(dòng)控制方面的教學(xué)和研究工作。

收稿日期：2015-05-04

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0438（2016）03-0138-03