韓 余

（南京理工大學(xué)， 江蘇 南京 210094）

引言

粉末壓機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的不同可以劃分為機(jī)械式和液壓式，機(jī)械式適合應(yīng)用于大噸位的粉末成型。我國(guó)機(jī)械式大噸位壓機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化二十多年。但是在自動(dòng)化液壓式粉末成形電動(dòng)壓機(jī)方面還處于空白狀態(tài)，液壓式壓機(jī)可以對(duì)大型化、高精度、高密度的粉末冶金制品進(jìn)行加工。本文通過(guò)采用PLC 設(shè)計(jì)了一體化電感粉末成型壓機(jī)控制系統(tǒng)，該設(shè)備及其控制系統(tǒng)的研制成功打破了國(guó)外在該領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，對(duì)促進(jìn)我國(guó)一體化電感粉末成型壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的作用。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

一體化電感粉末成型壓機(jī)電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括主回路和控制回路。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)是整個(gè)粉末成型壓機(jī)電控系統(tǒng)的核心，其電氣原理圖如圖1所示。其中主電路由3 臺(tái)Y 軸伺服電機(jī)、KM1 和KM2 兩個(gè)中間繼電器，以及L1、L2、L3、N 四根電源現(xiàn)組成，其中L2 和N 兩根電源線為整個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供電源，KM2 是3 臺(tái)Y 軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)，KM1 是控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)[1]。

在控制電路中，在總線上按有隔離開(kāi)關(guān)QS2、急停按鈕SB1，開(kāi)關(guān)SA1 閉合KM1 線圈得電，就完成了數(shù)控系統(tǒng)的上電；按鈕開(kāi)關(guān)SB2 按下，KM2 線圈得電，KM2 常開(kāi)輔助觸點(diǎn)通電，形成自鎖，SB3 為常閉按鈕開(kāi)關(guān)，為伺服電機(jī)電路的斷電開(kāi)關(guān)；瞬間接觸開(kāi)關(guān)KA1 閉合，電磁閥得電。

2 粉末成形電動(dòng)壓機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的粉末壓機(jī)采用的是液壓系統(tǒng)，整個(gè)粉末成形電動(dòng)壓機(jī)是由電氣設(shè)備、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其中控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)液壓成型功能的關(guān)鍵，本文設(shè)計(jì)的粉末壓機(jī)采用PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊之間的信息交互。

圖1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電氣原理圖

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

伺服控制電路主要是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器啟/停、設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控、回零等方面的控制，本設(shè)計(jì)采用PC 機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器收集和下達(dá)相關(guān)的操作指令。由于受到篇幅限制，本文中僅對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控、回零等功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，伺服驅(qū)動(dòng)電路如下頁(yè)圖2 所示。

當(dāng)設(shè)備需要對(duì)某一確定位置進(jìn)行液壓成型時(shí)，操作人員根據(jù)工藝條件對(duì)位置、運(yùn)行速度的變化等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后計(jì)算機(jī)服務(wù)器將設(shè)置的參數(shù)下達(dá)到伺服系統(tǒng)控制器中，然后控制器根據(jù)設(shè)定的參數(shù)控制伺服電機(jī)移動(dòng)到指定位置。

設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控主要對(duì)伺服電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，從而使控制器能夠?qū)崟r(shí)獲取伺服電機(jī)當(dāng)前位置、是否處于故障狀態(tài)等信息。

2.2 PLC 選型設(shè)計(jì)

PLC 是控制系統(tǒng)與各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)信息交互的基礎(chǔ)，無(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)輸入，還是控制系統(tǒng)的信號(hào)的輸出都需要通過(guò)PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文設(shè)計(jì)的粉末成形電動(dòng)壓機(jī)PLC 連接電路圖如下頁(yè)圖3 所示。

圖2 伺服控制電路圖

圖3 粉末成形電動(dòng)壓機(jī)PLC 連接電路圖

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要考慮到功能需求，同時(shí)成本也是重要考慮因素。在滿足設(shè)計(jì)功能的情況下，為了降低成本投入， 最早選擇了型號(hào)為DVP10MC11T 的PLC，該型號(hào)PLC 是由臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)。DVP10MC11T 的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展，最高可達(dá)512 個(gè)，而且其容量可達(dá)16 kSteps，完全滿足設(shè)計(jì)需求[2]。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路是為整個(gè)系統(tǒng)中的電子元器件提供電能模塊，由于各個(gè)電路所需要的工作電壓會(huì)存在一定的差異，在粉末成形電動(dòng)壓機(jī)控制系統(tǒng)中，各個(gè)模塊電路工作電壓分為5 V、3.3 V 兩種。為了使整個(gè)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)采用24 V 直流電源開(kāi)關(guān)為系統(tǒng)提供電源，因此，設(shè)計(jì)的電源電路只需要將24 V 分別轉(zhuǎn)換成5 V、3.3 V，根據(jù)需求最終選擇LM2575 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，電源玷辱如圖4 所示。

圖4 5 V 電源電路圖

在電源電路中，C1 和C2 組成了濾波裝置，可以有效地對(duì)低頻和高頻噪聲進(jìn)行濾除，提升電路供電穩(wěn)定性。

3 粉末成形電動(dòng)壓機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 伺服運(yùn)動(dòng)控制軟件的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)粉末成形電動(dòng)壓機(jī)的壓入裝配作業(yè)的模具的實(shí)際工作流程：零點(diǎn)→立柱上升→到起始點(diǎn)→夾緊工件→裝配點(diǎn)→工件松→裝配→下一循環(huán)。PLC 軟件的編寫(xiě)思路是各個(gè)功能以子程序的形式編制，然后通過(guò)主程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，這樣編寫(xiě)的程序結(jié)構(gòu)清晰，軟件調(diào)試方便，并目很大程度節(jié)約了掃描時(shí)間，提高了PLC 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。

粉末成形電動(dòng)壓機(jī)送料靴軟件流程如圖5所示。壓制過(guò)程各模沖控制流程如下頁(yè)圖6 所示。

圖5 壓機(jī)送料靴軟件流程圖

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面是操作人員輸入?yún)?shù)，以及獲取設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的窗口，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保持簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單。本文設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面如下頁(yè)圖7 所示，為了確保系統(tǒng)控制系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作，設(shè)置有自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種。設(shè)備進(jìn)入手動(dòng)模式時(shí)，操作人員可以通過(guò)對(duì)SB1～SB4 控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行斷開(kāi)或閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。點(diǎn)擊自動(dòng)模式，在界面中設(shè)置相關(guān)的參數(shù)后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)地對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。

圖6 各模沖控制流程圖

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行界面

選用配套的組態(tài)軟件Delta_CANopen Builder V2.05 作為組態(tài)軟件使用。通過(guò)使用Delta_CANopen Builder V2.05，使臺(tái)達(dá)HMI 設(shè)備具有實(shí)際的功能，將軟件與設(shè)備共同構(gòu)成人機(jī)交互的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)設(shè)置、報(bào)警等功能。通過(guò)實(shí)現(xiàn)從位置控制到壓力控制的轉(zhuǎn)換，將液壓缸的位置從30 mm 設(shè)置為70 mm，然后進(jìn)行同步控制，通過(guò)上位機(jī)的監(jiān)控軟件取得實(shí)時(shí)測(cè)試值從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，位置控制指令比實(shí)際值一般大2 mm 左右，同步誤差比較小，兩個(gè)液壓油缸的實(shí)際位移的偏差值為0.05 mm 左右，滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

表1 位移與壓力的關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用臺(tái)達(dá)DVP10MC11T 型PLC 作為控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用伺服電機(jī)以提高系統(tǒng)的控制精度及穩(wěn)定性。完成了壓機(jī)各個(gè)電氣元件的選型，完成了電路原理圖的設(shè)計(jì)、PLC 輸入/輸出原理圖設(shè)計(jì)；進(jìn)行了壓機(jī)部分PLC 軟件框圖的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的編程思路，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠且便于操作。