廖 謙，廖育武

(1.襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽 441021；2.湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

龍門銑床、龍門刨床、單臂刨床、龍門磨床等眾多冷加工機(jī)床的工作臺(tái)，在工作時(shí)都需要工作臺(tái)按規(guī)定的行程頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程的距離可根據(jù)加工件的實(shí)際大小隨時(shí)調(diào)整. 為提高生產(chǎn)效率，需要簡化行程調(diào)整過程，并盡量縮小無效行程，這樣就對(duì)工作臺(tái)行程控制提出了較高的要求. 常規(guī)的工作臺(tái)行程控制有三種方法：一是有觸點(diǎn)的行程開關(guān)控制方式；二是無觸點(diǎn)行程開關(guān)控制方式；三是旋轉(zhuǎn)碼盤計(jì)數(shù)控制方式. 這三種行程控制方式都有明顯的缺點(diǎn)：有觸點(diǎn)行程開關(guān)控制方式行程調(diào)整不方便、行程控制不精確、故障率高、維護(hù)控制量大；無觸點(diǎn)行程控制方式采用接近開關(guān)代替有觸點(diǎn)行程開關(guān)，在一定程度上降低了故障率，但其它缺點(diǎn)依然存在；旋轉(zhuǎn)碼盤計(jì)數(shù)控制方式屬于位置閉環(huán)控制方式，能有效克服行程開關(guān)控制方式的種種缺點(diǎn)，但這種位置閉環(huán)控制方式采用的是位置半閉環(huán)控制，行程控制精度還依賴于機(jī)械傳動(dòng)部分的精度，且工作臺(tái)往復(fù)累積計(jì)數(shù)偏差會(huì)使行程偏離，影響正常工作. 而采用直接檢測工作臺(tái)實(shí)際行程作為位置反饋構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，可以較好地解決由于工作臺(tái)往復(fù)累積計(jì)數(shù)偏差引起的行程偏離問題. 因此，本文將就采用測距方法構(gòu)成的機(jī)床工作臺(tái)行程控制系統(tǒng)進(jìn)行探討.

1 行程控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 行程控制要求

1-低速切入，2-前進(jìn)加工，3-前進(jìn)減速， 4-前進(jìn)換后退，5-后退加工， 6-后退減速，7-后退換前進(jìn) 圖1 工作臺(tái)工作狀態(tài)示意圖

機(jī)床工作臺(tái)在工作過程中需要做頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主要有七個(gè)工作狀態(tài)：低速切入、前進(jìn)加工、前進(jìn)減速、前進(jìn)換后退、后退加工、后退減速、后退換前進(jìn). 這七個(gè)狀態(tài)都需要有精確的行程控制才能滿足實(shí)際加工的高要求. 工作臺(tái)工作狀態(tài)示意如圖1所示.

各種機(jī)床對(duì)行程控制的要求不完全相同，但最基本的要求是一樣的. 刨床對(duì)行程控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求比較高，而銑床和磨床因?yàn)楣ぷ髋_(tái)速度較低，對(duì)行程控制系統(tǒng)的精度要求較高，希望無效行程更短，行程控制更精確. 因此，新的行程控制方法應(yīng)兼顧以上各種要求，且行程調(diào)整更簡單，工作更可靠，行程控制精度更高.

1.2 行程控制方案的選擇

行程控制的關(guān)鍵是行程檢測方式和行程控制方法. 由于有觸點(diǎn)或無觸點(diǎn)行程開關(guān)控制方式缺點(diǎn)明顯，碼盤計(jì)數(shù)行程控制方式屬于位置半閉環(huán)控制，因此采用位置全閉環(huán)控制方式是首選方案. 而如何獲得工作臺(tái)的實(shí)際位移信號(hào)是實(shí)現(xiàn)位置全閉環(huán)控制的關(guān)鍵. 通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采用激光位移傳感器作為工作臺(tái)行程檢測傳感器是較好的方案. 工作臺(tái)行程控制系統(tǒng)可以采用組態(tài)軟件(PC機(jī))配合可編程控制器(PLC)控制方式，也可以采用觸摸屏(PT)配合可編程控制器(PLC)控制方式. 由于PT、PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化安裝等優(yōu)點(diǎn)，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊、成本更低. 且PLC的梯形圖編程方式簡單，觸摸屏組態(tài)使得界面友好靈活、監(jiān)控直觀、行程調(diào)整操作方便. 結(jié)合生產(chǎn)企業(yè)對(duì)設(shè)備功能增減、維護(hù)的實(shí)際需要，選擇PT與PLC相結(jié)合的控制方式是合適的.

1.3 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)控制架構(gòu)示意圖

通過對(duì)機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)行要求及加工工藝特點(diǎn)的分析，確定系統(tǒng)控制單元采用三菱FX2N-32MR，人機(jī)界面作為監(jiān)控單元采用臺(tái)達(dá)DOP A57GSTD HMI，二者通過RS485進(jìn)行通訊連接. 接口模塊采用三菱PLC配套的FX2N-4AD擴(kuò)展模塊，通過擴(kuò)展電纜與PLC主機(jī)相連，四個(gè)通道的外部連接則根據(jù)外部輸入輸出電壓或電流量的不同而有所不同. 選擇西門子全數(shù)字式交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為主傳動(dòng)單元，以滿足機(jī)床對(duì)電氣傳動(dòng)控制的調(diào)速要求.

工作臺(tái)行程檢測是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵. 激光位移傳感器是新一代位移檢測設(shè)備，堅(jiān)固耐用，是一種既先進(jìn)又相對(duì)經(jīng)濟(jì)的在線位置檢測設(shè)備，具有極高的檢測精度和穩(wěn)定性. 它能夠在線式連續(xù)檢測，可對(duì)位置、位移等變化量實(shí)現(xiàn)非接觸式精確檢測，是工業(yè)智能控制系統(tǒng)的理想檢測傳感器. 與其它位移傳感器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于測量距離遠(yuǎn)、分辨率高(最高也可達(dá)到0.1um)、線性度好(一般為量程的0.2%左右)、對(duì)被測物體無特殊要求等. 激光位移傳感器安裝簡單，使用方便，既可采用數(shù)字輸出模式，又可采用模擬輸出模式. 故本系統(tǒng)選用激光位移傳感器作為生產(chǎn)線位置檢測傳感器. 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[1-2].

2 系統(tǒng)工作原理

圖3 行程檢測原理示意圖

2.1 工作臺(tái)行程檢測/測距

行程檢測(測距)傳感器采用激光位移傳感器. 激光位移傳感器工作時(shí)由激光二極管向被測物體發(fā)射激光脈沖，被測物體反射光返回到傳感器接收器，被傳感器中雪崩光電二極管接收. 雪崩光電二極管具有極強(qiáng)的放大功能，因此它能檢測極其微弱的反射光信號(hào). 傳感器對(duì)光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的處理，即可得到位移或位置信號(hào). 采用激光位移傳感器的行程檢測(測距)環(huán)節(jié)原理示意如圖3所示[3].

傳感器固定在機(jī)床床身合適的位置上，而反射擋板則安裝在工作臺(tái)上. 反射擋板位于最大行程處并與工作臺(tái)隨動(dòng). 當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器就會(huì)輸出與工作臺(tái)移動(dòng)位置相對(duì)應(yīng)的電信號(hào). 為了保證傳感器與PLC通訊的可靠性，傳感器輸出模式選用模擬輸出，模擬信號(hào)經(jīng)A/D擴(kuò)展模塊與PLC聯(lián)接，經(jīng)加權(quán)折算后得到行程參考值，并存入寄存器D30中供程序計(jì)算時(shí)調(diào)用.

工作臺(tái)設(shè)有兩個(gè)0點(diǎn)：絕對(duì)0點(diǎn)和相對(duì)0點(diǎn). 絕對(duì)0點(diǎn)設(shè)在工作臺(tái)前進(jìn)行程最大處，而相對(duì)0點(diǎn)可在有效行程范圍內(nèi)根據(jù)工作需要在PT界面上任意設(shè)定，相對(duì)0點(diǎn)即為行程起點(diǎn)，行程起點(diǎn)設(shè)定值通過PT設(shè)定后存入D8中. 行程終點(diǎn)默認(rèn)為工作臺(tái)最大行程處，也可在有效行程范圍內(nèi)根據(jù)工作需要在PT界面上任意設(shè)定，終點(diǎn)行程大于起點(diǎn)行程為有效設(shè)定，行程終點(diǎn)設(shè)定值通過PT設(shè)定后存入D9中. 前進(jìn)行程計(jì)算值存入D1中，后退行程計(jì)算值存入D2中，工作臺(tái)動(dòng)態(tài)檢測值存入D30中. 系統(tǒng)運(yùn)行前將最大行程值預(yù)存在寄存器D10中，則前進(jìn)行程和后退行程的轉(zhuǎn)換算法為：

D1=D10-D30-D8

(1)

D2=D10-D9+D30

(2)

式中：D1、D2為前進(jìn)行程值、后退行程值；D8、D9為行程起點(diǎn)值、行程終點(diǎn)值；D10、D30為最大行程值、動(dòng)態(tài)檢測值；

圖4 行程控制原理框圖

2.2 工作臺(tái)行程控制

工作臺(tái)行程控制采用位置(行程)全閉環(huán)控制，位置檢測信號(hào)直接采樣于工作臺(tái)物理位置(行程)，有效地克服了機(jī)械傳動(dòng)誤差和累積計(jì)數(shù)偏差. 行程控制原理框圖如圖4所示[4].

工作臺(tái)行程控制采用變結(jié)構(gòu)控制模式，當(dāng)實(shí)際行程小于設(shè)定行程時(shí)，行程判斷使工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)速度由外部指令決定，而當(dāng)實(shí)際行程接近行程終點(diǎn)時(shí)，行程判斷使工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)速度由外部控制改為內(nèi)部控制，通過PLC內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成位置(行程)閉環(huán)控制，保證行程控制精度.

式中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；e(t)為行程偏差.

行程偏差e(t)是位置設(shè)定R(t)與實(shí)際位置Y(t)的差值.u(t)為傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部速度控制信號(hào)，它的幅值取決于e(t)，決定了工作臺(tái)運(yùn)行速度，e(t)越小u(t)則越小，工作臺(tái)速度越慢，有利于消除工作臺(tái)逼近設(shè)定位置點(diǎn)的調(diào)整次數(shù).

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)控制程序流程圖

在整個(gè)系統(tǒng)中，觸摸屏PT作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī). 觸摸屏DOP A57GSTD配套的畫面編輯軟件為Screen Editor 1.05.86，在PC機(jī)上按軟件相關(guān)要求進(jìn)行編輯組態(tài)即可. 三菱FX系列PLC的電腦編程軟件為SWOPC-FXGP/WIN-C. 該軟件能對(duì)FX系列PLC進(jìn)行梯形圖、指令表和SFC編程，并能自由地進(jìn)行切換. 按機(jī)床工作臺(tái)行程控制要求在PC機(jī)上進(jìn)行編程并寫入到PLC中即可. 機(jī)床工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)控制PLC程序流程圖如圖5所示[5].

4 現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)及結(jié)果

4.1 現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)組裝完成后，用導(dǎo)軌式智能小車拖動(dòng)反射擋板模擬機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)行了模擬運(yùn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)各種功能正常，控制效果良好. 現(xiàn)場運(yùn)行在某鋼鐵公司機(jī)修工段進(jìn)行，運(yùn)行試驗(yàn)對(duì)象為北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的X2012龍門銑床，工作臺(tái)尺寸為4m(長)×1m(寬). 該機(jī)床原工作臺(tái)行程控制采用組合行程開關(guān)配合PLC，通過調(diào)整行程撞塊來完成. 機(jī)床改造時(shí)，先將原組合行程開關(guān)拆除，在適當(dāng)位置換裝北京飛拓信達(dá)激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的FTM-50激光位移傳感器，并加裝防護(hù)擋板. 再將原行程調(diào)整撞快拆除，換裝為白色反射擋板(尺寸為50mm×100mm)，并調(diào)至最大行程處. 至此，機(jī)床行程控制硬件改裝完成.

在其它電氣控制部分改裝完成后，通電測試PLC相應(yīng)邏輯控制功能，并在觸摸屏設(shè)置畫面中設(shè)置各種運(yùn)行參數(shù)，如行程起點(diǎn)、行程終點(diǎn)、PID系數(shù)等參數(shù). 起動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行，邏輯動(dòng)作正常，行程控制準(zhǔn)確.

4.2 運(yùn)行結(jié)果及應(yīng)用前景(可行性)分析

運(yùn)行過程證明：通過觸摸屏可方便設(shè)置各種運(yùn)行參數(shù)，行程起點(diǎn)、行程終點(diǎn)行程調(diào)整簡單，只需在觸摸屏相應(yīng)窗口完成設(shè)置即可，克服了采用普通行程開關(guān)構(gòu)成的行程控制系統(tǒng)需頻繁調(diào)整行程撞塊位置、行程控制不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)；觸摸屏作為操作平臺(tái)，以絕對(duì)作標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)方式顯示工作臺(tái)實(shí)際位置，通過PLC完成對(duì)工作臺(tái)的各種控制，方便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行控制和手動(dòng)運(yùn)行控制，操作更簡單、直觀；工作臺(tái)實(shí)際行程控制范圍為0～3.5m(最大值可調(diào)整)，顯示分辨率為0.1mm；工作臺(tái)行程控制實(shí)際沖程在變結(jié)構(gòu)控制模式下小于5mm，在非變結(jié)構(gòu)控制模式下小于15mm，大大縮短了工作臺(tái)空行程運(yùn)行時(shí)間，較好地滿足了工作臺(tái)實(shí)際行程控制要求.

應(yīng)用前景(可行性)分析：電氣改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況與其它行程控制方案相比，工作臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定、行程控制精確，無行程累積偏差；在觸摸屏上可實(shí)時(shí)顯示工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)行狀況，并可方便修改各設(shè)定值；采用觸摸屏作為人機(jī)交互控制工具，界面直觀，操作簡單方便，極大地提高了工作效率. 由于采用激光位移傳感器，使得設(shè)備成本略有增加. 激光位移傳感器市場價(jià)格在3000～4000元左右，而行程組合開關(guān)市場價(jià)格在1000～1500元左右，但相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，傳感器的價(jià)格差異還是微不足道的. 所以，采用測距式行程控制方案控制機(jī)床工作臺(tái)行程是可行的，特別是精密加工狀態(tài)下的優(yōu)勢更加明顯.

4.3 問題及改進(jìn)

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，過大的進(jìn)刀量會(huì)造成工作臺(tái)震動(dòng)，引起一定的測量偏差，當(dāng)適當(dāng)加大擋光板面積(增大至100mm×150mm)，并保證反光面的顏色均勻、清潔，測量偏差問題得到了解決.

如果控制對(duì)象為龍門刨床，相比較龍門銑床而言，刨床工作臺(tái)運(yùn)行速度更快，慣性更大，會(huì)造成工作臺(tái)過大的沖程. 此時(shí)，可根據(jù)工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)的最大功率，適當(dāng)調(diào)整變結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)的參數(shù)，重新選擇變結(jié)構(gòu)形式，保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，以縮小工作臺(tái)換向沖程.

5 結(jié)語

本文提出了測距式機(jī)床工作臺(tái)行程控制方法，采用激光位移傳感器作為行程檢測設(shè)備，據(jù)此設(shè)計(jì)出了機(jī)床工作臺(tái)行程控制系統(tǒng)，并在龍門銑床上得到了驗(yàn)證. 采用PT/PLC構(gòu)成系統(tǒng)，通過觸摸屏操作面板完成各種參數(shù)的設(shè)置和工作臺(tái)運(yùn)行操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，可視化操作簡單，行程調(diào)整方便，控制精度高，有效解決了其它行程控制方法存在的種種問題，具有較好的市場運(yùn)用前景.