PLC在二維磨削力控制砂帶磨削機床中的應用

李成群，劉啟站，李建功

LI Cheng-qun，LIU Qi-zhan，LI Jian-gong

（河北聯合大學 ，唐山 063009）

0 引言

目前，國內外復雜幾何形狀工件（高檔水龍頭、航空葉片、汽輪機葉片等）的磨削加工方法有普通磨床的人工磨削、專用磨削機床和數控磨削機床。普通磨床的人工磨削費時且勞動強度大，加工成品率低；專用磨削機床通用性差，適合批量生產；數控磨削機床成本高、編程復雜。近年來，機器人磨削加工技術引起人們的關注，與數控機床相比，具有柔性好、智能化、精度高等優點[1]。

機器人磨削系統使用機器人離線編程技術，集標定、生產、檢測于一體，工件的磨削效率高，表面質量好，可自動裝卡工件，適用于工件的自動化流水線的磨削加工[2]。

本文介紹的二維磨削力控制砂帶磨削機床是機器人磨削系統的重要組成部分。其控制部分不僅關系到二維磨削力控制砂帶磨削機床的可操作性能和工件的加工質量，而且也影響機器人對磨削機床的控制及機器人磨削系統的可靠性。

1 二維磨削力控制砂帶磨削機床的組成及工作原理

二維磨削力控制砂帶磨削機床由上、下兩個砂帶磨削機床組件組成，如圖1所示。

上、下兩砂帶磨削機床組件均采用平行四邊形機構。當機器人抓持工件在砂帶磨削機床上磨削加工時，同一時刻只在一個磨削機床組件上磨削加工。

圖1 二維磨削力機器人砂帶磨削機裝配圖

下砂帶磨削機床組件只有一個大的磨削輪，適用于大曲率曲面或平面的磨削加工，采用一維磨削力控制技術，且該機構與上砂帶磨削機床組件共用一個比例閥與伺服氣缸來控制上、下砂帶磨削機床組件的水平力控制。當接觸力大于設定值時，下砂帶磨削機床組件橫梁拉動彈簧后退，使作用于伺服氣缸上的力增大，比例閥開始調整進行排氣，使伺服氣缸內壓力維持在設定值。

上砂帶磨削機床組件含有轉位鎖緊機構，轉位鎖緊機構的旋轉臂上安裝兩個小磨削輪，適用于小曲率曲面的磨削加工，采用二維磨削力控制技術，磨削力大小分別由兩個比例閥控制兩個伺服氣缸來調節。當磨削力大于設定值時，水平力的控制與下砂帶磨削機床組件磨削力控制原理相同；在垂直方向上，滑塊帶動伺服氣缸運動，氣缸內壓力發生變化，比例閥開始調整進氣或排氣，使伺服氣缸內壓力維持在設定值，從而可控制平面內任意方向磨削力的大小。

2 PLC控制系統硬件配置及其功能

以三菱FX系列PLC為核心的控制系統硬件配置如圖2所示。整個控制系統包括：

圖2 PLC控制系統硬件配置

PLC控制器及擴展模塊（A/D轉換器、D/A轉換器）、氣動控制、機器人控制器、人機交互器、伺服電機控制系統、變頻電機控制系統等。

2.1 PLC控制器及擴展模塊

1）PLC控制器：對整套工藝系統分析，進行I/O分配，需要輸入點數為12，輸出點數為11，PLC型號可選用FX2N-32MT-001，其輸入點數與輸出點數均為16，且有串行通訊模塊和功能擴展模塊，使用特殊功能模塊或功能擴展模塊，可實現模擬量控制、位置控制和聯網通訊控制[4]。

2）A/D轉換器：在自動張緊裝置中，低摩擦氣缸的壓力值經壓力傳感器轉變為電信號后必須通過A/D轉換器把模擬量轉變成數字量才能被PLC處理。其型號為FX2N-2AD，有2個輸入通道，每一通道都可進行A/D轉換，其分辨率為12位。

3）D/A轉換器：在接觸力補償系統中，PLC需將設定氣壓值經D /A轉換后才能傳送給比例閥進行氣壓調節。變頻電機控制系統中，將控制信號經D/A轉換后的電壓信號傳輸給變頻器，通過模擬量控制不但可以提高加工精度，而且節約I/O點數。其型號為FX2N-4DA，有4個輸出通道，每一通道都可進D/A轉換，其分辨率為12位。

2.2 氣動控制

氣動控制系統原理圖如圖3所示，氣源經過氣源三聯件后，分為三路：

圖3 氣動控制系統原理圖

一路經二位三通電磁閥、減壓閥、壓力傳感器，最后到張緊氣缸。該回路用于氣動張緊，張緊力通過減壓閥來調節。一般在0.2～0.4 MPa。壓力傳感器檢測張緊氣缸內的壓力，并將壓力值傳送給PLC，如果張緊氣壓小于0.2MPa，PLC禁止系統進行磨削加工作業，防止危險事故發生。

另兩路經過25μm過濾器、比例壓力閥、二位五通電磁閥，最后分別到達水平接觸力補償氣缸和垂直接觸力補償氣缸。該回路用于磨削時接觸力補償，其工作原理：用機器人控制器或人機交互器設定比例閥工作的氣壓，PLC將該氣壓值經D /A轉換后傳送給比例閥。在磨削加工過程中，當接觸力波動時，比例閥會自動將氣壓維持在上述設定值，抵消接觸力波動對氣壓的影響。

2.3 機器人控制器

機器人控制器選用“ABB IRB M2000”系列機器人。在PLC與機器人通訊中，根據磨削工藝要求、機器人姿態對砂帶磨削機床接觸輪位置的要求以及對磨削力的要求等,通過機器人控制器與砂帶磨削機床控制器的通訊,可在線改變磨削機床的磨削參數、接觸方式、磨削力大小以及更換不同輪徑的接觸輪等,以完成對不同形狀曲面工件的磨削加工[1]。

2.4 人機交互器

本系統人機交互器采用觸摸屏控制，其型號為F940WGOT-TWO-C，它可在觸摸屏上直接對PLC進行監控及編程。觸摸屏界面由觸摸屏組態軟件進行設計、編譯，然后通過RS232編程電纜下載到觸摸屏即可使用。用觸摸屏作為人機交互器，既可以簡化、方便作業管理，又可以監控和報警，在觸摸屏上顯示系統運行狀況，通過觸摸屏還可以在線進行轉位控制、調整速度、氣壓等加工工藝參數。

2.5 伺服電機控制系統

PLC控制器、伺服驅動器、伺服電機等組成伺服控制系統來控制轉位鎖緊機構的運轉進行換位。伺服電機在驅動器的驅動下，通過減速器驅動旋轉臂旋轉以實現接觸輪旋轉換位，目標位置由光電編碼器的反饋信號反饋給PLC控制器，在PLC控制器的控制下保證旋轉的精度，機構旋轉時有編碼器進行位置反饋，定位準確，為系統離線編程提供了方便，避免了頻繁換輪和重新標定，節省了加工時間。其硬件配置如下：

1）伺服驅動器：伺服驅動器選取型號為MRJ2S-100A，分辨率為131072脈沖/轉的絕對位置編碼器，具有位置控制模式、速度控制模式、轉矩控制模式、位置/速度控制切換模式、速度/轉矩控制切換模式、轉矩/位置控制切換模式多種控制方式。

2）伺服電機：伺服電機選取型號為HCSFS81，額定功率為0.85KW，滿載轉速為1000r/min。

2.6 變頻電機控制系統

使用D/A轉換功能，將PLC中12位的數字信號轉換成0～10V電壓信號，變頻器的輸出頻率在這個電壓信號的控制下調節變頻電機的轉速，從而改變砂帶的速度。

1）變頻器：變頻器是實現交流電機調

速的關鍵元器件，它是利用電力半導體器件的通斷功能將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。選用FR-A540-3.7K-CH，適用于輸出功率3.7KW以下的變頻電機，滿足工程要求。

2）變頻電機：選取型號為Y90L-2，其額定功率為2.2KW，滿載轉速為2840r/min。

3 控制系統抗干擾設計

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。但對于工業現場環境過于惡劣、電磁干擾特別強烈、突然斷電等情況發生時，經常造成PLC接受錯誤信號，產生誤動作，或使PLC內部數據丟失，嚴重時甚至會使系統失控。因此，在系統設計時，應采取相應的可靠性措施，以消除或減小抗干擾的影響，保證系統的正常運行[3]。

1）接地保護設計：接地是抑制干擾、使系統可靠工作的主要方式。PLC一般應與其他設備分別采用各自獨立的接地裝置，若有其他因素影響而無法做到，也可以采用公共接地方式，但要禁止使用串聯接地的方式或把接地端子接到一個建筑物的大型金屬框架上，此種接地方式會在設備間產生電位差，對PLC產生不利影響；電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，產生干擾。

2）供電系統設計：PLC供電系統中可采用隔離變壓器、UPS電源、雙路供電等保護措施。

3）冗余設計：冗余設計的目的是PLC已可靠工作的基礎上，再進一步提高其可靠性，減少出故障的幾率和故障后的修復時間。

4 PLC控制系統軟件設計

二維磨削力控制砂帶磨削機床的軟件設計包括PLC軟件設計和觸摸屏軟件設計。

4.1 PLC軟件設計

由于砂帶磨削系統上砂帶磨削機床組件接觸輪直徑相對較小，主要應用于大曲率曲面工件的磨削，在軟件設計時稱為小輪單元；而下砂帶磨削機床組件接觸輪直徑比較大，主要應用于平面、小曲率曲面工件的磨削，在軟件設計時稱為大輪單元。

圖4 PLC控制軟件系統邏輯流程圖

軟件系統總體可分為響應面板操作子程序、機器人通信子程序、HMI人機交互子程序三大模塊。響應面板操作子程序包括大輪工作子程序、大輪停止子程序、小輪工作子程序與小輪停止子程序。機器人通信子程序、HMI人機交互子程序主要應用于系統參數的調整，如電機速度、接觸輪位置、接觸力氣缸壓力值等。在軟件設計時需調用電機速度調整子程序、接觸輪位置調整子程序、接觸力補償調整子程序。根據系統的工藝過程與系統的控制要求，可得PLC控制系統流程圖如圖4所示。

4.2 觸摸屏軟件設計

根據二維磨削力控制砂帶磨削機床的控制和操作要求，設計了主界面、參數設置界面、信號監控界面、參數顯示界面等。

5 結論

本文詳細討論了三菱FX系列PLC用于一維磨削力控制與二維磨削力控制相結合的砂帶磨削機床的組成、工作原理、控制系統的硬件組成和軟件設計。系統將機器人重復定位精度高的特點和PLC出色的邏輯控制功能融合為一體，提高了磨削加工精度。實踐證明，該系統操作方便，運行穩定可靠，自動化程度高。

[1]張照華,贠超,李成群.基于PLC的一維力控制系統研究[J].機電產品開發與創新,2007,20（2）：116-117.

[2]李成群,贠超 ,張習加,等.機器人柔性磨削機床的恒磨削力補償機構及其動力學分析[J].機械科學與技術,2008,27（2）：701．

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[6] 洪云飛,李成群,贠超.用于復雜空間曲面加工的機器人磨削系統[J].中國機械工程（增刊）,2006,（8）：150-153．