張文輝+王一凡+付華良

摘 要：設(shè)計(jì)了基于AB公司的Micro850-48QWB PLC的絲杠控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，系統(tǒng)以AB公司的Micro850-48QWB PLC為主控制器，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)和停止，PLC通過以太網(wǎng)通訊方式控制變頻器，來驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)滑塊的運(yùn)動(dòng)速度以及位置精度的要求。

關(guān)鍵詞：絲杠控制；PLC；變頻器；觸摸屏

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.106

1 絲杠控制系統(tǒng)的簡介

絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或者將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想產(chǎn)品。絲杠主要應(yīng)用于精密機(jī)械，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線移動(dòng)，精度高，能夠大大提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品合格率。

絲杠控制系統(tǒng)是利用控制器與檢測(cè)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)絲杠中滑塊的運(yùn)動(dòng)速度以及精度的控制與監(jiān)測(cè)。在PLC程序中設(shè)定好運(yùn)行頻率、加減速時(shí)間后，通過以太網(wǎng)傳輸至變頻器，并且可以在觸摸屏操作實(shí)現(xiàn)啟停以及實(shí)時(shí)監(jiān)視電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率的變化曲線。絲杠控制系統(tǒng)不需要按鈕，可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟停。

2 系統(tǒng)的控制精度要求

系統(tǒng)運(yùn)行精度要求如下：

（1）在PLC程序中指定頻率后，滑塊以指定頻率從起點(diǎn)勻速運(yùn)行450mm至終點(diǎn)后以0.8倍指定速度返回起點(diǎn)并停在起點(diǎn)處，通過中間的光電開關(guān)以及監(jiān)測(cè)程序檢測(cè)滑塊在運(yùn)行過程中是否為勻速。

（2）在觸摸屏上指定絲杠中間的一個(gè)刻度，滑塊以最快速度運(yùn)行至指定刻度處，運(yùn)行過程中無抖動(dòng)且不會(huì)過沖，速度曲線為加速-減速-停這一過程，而非勻速到達(dá)，且誤差在±1mm之內(nèi)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)裝置、絲杠、檢測(cè)裝置等構(gòu)成。PLC作為絲杠控制系統(tǒng)的核心，按照內(nèi)部存儲(chǔ)的用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制，通過接收檢測(cè)裝置的反饋信號(hào)以及觸摸品的控制信號(hào)，控制變頻器。PLC、變頻器與觸摸屏采用TCP/IP協(xié)議通訊，通過建立一個(gè)小型以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)速度以及精度的控制。如圖1所示。

3.2 PLC的接線

Micro850-48QWB是AB公司的48點(diǎn)PLC，擁有28個(gè)輸入端口和20個(gè)輸出端口。有多種通訊方式可供選擇，同時(shí)擁有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力。

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，由于此系統(tǒng)編程中高速計(jì)數(shù)器采用帶外部復(fù)位和保持的雙輸入計(jì)數(shù)器 （遞增和遞減），所以PLC輸入端I10、I11需要接入編碼器A、B相，以確保高速計(jì)數(shù)器正常使用。PLC硬件接線圖如圖2所示。

3.3 變頻器與PLC的通訊方式及參數(shù)設(shè)置

PowerFlex520 系列交流變頻器可實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。系統(tǒng)中變頻器與PLC之前采用以太網(wǎng)通訊，通過路由器與網(wǎng)線建立起一個(gè)小型局域網(wǎng)，通過設(shè)置變頻器與PLC的IP地址使它們?cè)谕痪W(wǎng)段內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的通訊與控制。

變頻器參數(shù)如表1所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 速度計(jì)算方法

在觸摸屏上指定絲杠中間的一個(gè)刻度，滑塊以最快速度運(yùn)行至指定刻度處，運(yùn)行過程中無抖動(dòng)且不會(huì)過沖，速度曲線為加速-減速-停這一過程，而非勻速到達(dá)，且誤差在±1mm之內(nèi)。

首先需要確定滑塊的運(yùn)行頻率，設(shè)計(jì)要求最快速度，而且不會(huì)抖動(dòng)，通過設(shè)定不同頻率進(jìn)行試驗(yàn)，最終選定60Hz作為最高頻率，為了實(shí)現(xiàn)加速-減速-停這一曲線，需要對(duì)運(yùn)行頻率做一番計(jì)算，如圖3所示。

注釋：A段表示加速階段頻率，計(jì)算公式為（實(shí)際位置-起點(diǎn)位置/P2-起點(diǎn)位置）×48+12；

B段表示加速階段頻率，計(jì)算公式為（P4-實(shí)際位置/P4-P2）×48+12；

C段表示滑塊接近指定位置時(shí)，變成勻速運(yùn)動(dòng)，直至停下來。這樣做的目的是保證滑塊不會(huì)過沖且誤差在±1mm之內(nèi)。

4.2 位置計(jì)算方法

此次設(shè)計(jì)選擇了長度為500mm的絲杠，經(jīng)過測(cè)量，每旋轉(zhuǎn)一圈，滑塊將運(yùn)動(dòng)4mm。本系統(tǒng)采用LPD3806-360BM-G5-24C編碼器進(jìn)行滑塊位置計(jì)算，編碼器通過聯(lián)軸器與絲杠相連，分辨率為360線，即旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器會(huì)發(fā)出360個(gè)脈沖，絲杠旋轉(zhuǎn)一圈，滑塊運(yùn)動(dòng)4mm，通過計(jì)算得出滑塊運(yùn)動(dòng)1cm編碼器發(fā)出的脈沖為360/0.4=900個(gè)，這樣便可以通過采集的高速脈沖計(jì)算出滑塊的位置。

4.3 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，運(yùn)行控制要求一時(shí)，在觸摸屏上點(diǎn)擊綠色啟動(dòng)按鈕，若滑塊不在起點(diǎn)處，則先讓滑塊返回起點(diǎn)，若滑塊已在起點(diǎn)處，則開始運(yùn)行，按照系統(tǒng)控制要求運(yùn)行完一個(gè)周期后，滑塊返回起點(diǎn)，并最終停止，若要繼續(xù)運(yùn)行，則再次按下啟動(dòng)按鈕。

運(yùn)行控制要求二時(shí)，首先在觸摸屏上設(shè)定位置信息，然后按下紅色啟動(dòng)按鈕，按要求運(yùn)行到指定位置，若要更改位置，則在觸摸屏上修改完成后再次按下紅色啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。絲杠控制系統(tǒng)狀態(tài)流程圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試

通過HMI界面，操作人員可以控制系統(tǒng)的啟停，并且實(shí)時(shí)觀察到滑塊當(dāng)前位置、滑塊運(yùn)行速度以及滑塊運(yùn)行速度和位置曲線，并可通過HMI界面設(shè)置目標(biāo)位置，控制滑塊運(yùn)行，如圖5所示，當(dāng)前位置為0cm，當(dāng)前速度為0cm/s，表示滑塊目前停在起點(diǎn)處，通過檢測(cè)程序可以了解到滑塊是否滿足勻速運(yùn)行的要求。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，使得滑塊運(yùn)行滿足控制要求二，在觸摸屏上可以通過設(shè)定目標(biāo)值與滑塊當(dāng)前位置值了解到實(shí)際誤差。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種PLC控制的絲杠控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以觸摸屏作為人機(jī)界面控制系統(tǒng)啟停，PLC通過以太網(wǎng)通訊方式控制變頻器，并最終控制絲杠中滑塊的運(yùn)行速度及運(yùn)行位置精度。該系統(tǒng)通過調(diào)試能夠滿足不同的精度要求，適用性廣泛。

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作者簡介：張文輝（1996-），江蘇常州人，學(xué)生，第四屆“AB杯”全國大學(xué)生自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用大賽二等獎(jiǎng)，2017年江蘇省高等職業(yè)院校技能大賽“亞龍杯”自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試項(xiàng)目一等獎(jiǎng)，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)。endprint