基于PLC的滾壓自動控制系統設計

于欣

(南京理工大學自動化系,江蘇 南京 210094)

引言：

滾壓機主要是基于車床的基礎，卡緊工件后，滾壓裝置上的三個滾壓輪作用在工件上，主電機帶動工件旋轉并沿Z向進行進給，從而實現對轉向軸外表面的滾壓，完成對工件的滾壓過程。加工過程比較簡單，現有的設備為20多年前德國生產的機床，現已不能正常工作，市面上也沒有相同機型，需重新設計相同的機床。所以機床的設計不僅能夠完成工件的加工，還需能自動控制整個加工過程，提高機床的效率及達到加工的精度要求。

1 系統介紹

1.1 控制系統的設計方案

通過圖1工藝流程圖可以出系統的工作過程，在這個工作這前，先手動將卡盤卡緊，然后現進行整個加工過程，這個是為了安全起見。在按下循環啟動開始后，首先是三個滾壓刀進刀壓在工件上；然后主軸旋轉，由于主軸速度有無極調速的要求，通常會采用變頻器加變頻電機來實現，這部分是在PLC上擴展帶有模擬量（0～10V）輸出的模塊來控制完成；然后進給軸帶著滾壓刀進行加工；當到達到指令位置后停止進給，停止主軸旋轉，延時將上下滾壓刀后退，后退到位后，進給軸后退至中間位置，以方便卸下工件；松開卡盤卸下工件，完成一個工件的加工。這里面卡盤卡緊/松開及滾壓刀的進刀/退刀用液壓裝置來完成，PLC控制系統所要完成就是對其進行邏輯控制。

該款數控機床是通過觸摸屏采用人機互動界面來實現操作人員與系統之間進行對話和信息交換的專用設置,在現代工業控制中,大多數采用觸摸屏來實現。它可以取代大部分傳統控制面板、按鈕開關、數字設定及指示燈等裝置，并且能實現遠程監控、明確顯示重要信息，有利于操作人員正確掌握機器狀況，避免出現錯誤。這一點可以通過觸摸屏的組態軟件設實現自動、手動、機床參數、工件加工參數、PLC監控等多個畫面，完成了對機床的監控系統部分的設計。

圖1 工藝流程圖

1.2 設計難點

設計難點在于控制進給軸及位置。現在定位準確且有剛性好的進給電機就是交流伺服電機，位置控制需要給脈沖量，脈沖量的頻率決定了進給的速度。這部分在設計中要注意一下。脈沖信號的抗干擾能力不是很好，單端接地的脈沖傳輸方式使動作頻率降低，可以采用雙端接地及短距離傳輸等等來提高抗干擾能力。PLC有高速脈沖口，多數為單端接地，雙端接地需要在PLC重新加入模塊，所以在單端接地加入電阻，可以高其抗干擾能力。如下圖：

圖2 Type3脈沖量輸入端口的單端驅動電路

根據脈沖量輸入電路，驅動電流10～15mA，限定外部電源最大電壓25V的條件，確定電阻R的數值，在VCC=24V，R=1.3～2K。

2.1 控制系統硬件組成

2.1.1 控制系統硬件設計

根據以上對控制系統的要求，基本硬件配置框圖如圖2所示。現場有PLC控制器一臺,觸摸屏一個，主軸電機和進給電機，以及他們的驅動器，還有控制壓力的液壓裝置。PLC控制系統所要完成就是對其進行邏輯控制，觸摸屏用來來實現操作人員與系統之間進行對話和信息交換的專用設置，電機主要是用來帶動刀具切割和加工工件。

圖2 系統硬件配置圖

本機床采用以PLC和觸摸屏作為上位機控制機床工作。主軸電機采用交流伺服主動機，Z向進給采用交流伺電機。

2.控制系統硬件選擇

a.PLC

根據控制系統設計方案的要求，選擇的PLC時應同時具備有高速脈沖輸出和有模擬量輸出。在多方比較后，選擇了性價比高的臺達DVP-SV的PLC。DVP-SV系列具有優異的運算功能，基本指令最快執行速度達0.24μS；高速脈沖輸出可達200KHZ；并具有特殊擴展即模擬量的輸出。

b.主電機驅動器

主軸速度有無極調速的要求，通常會采用變頻器加變頻電機來實現。這需要在PLC上擴展帶有模擬量（0~10V）輸出的模塊來控制完成。通過對實際對主軸轉速的要求0~3000r/min要求，選擇了廣州數控的主電機。c.對工件進給要求如下：最小辨率：0.001mm進給速度最大為9m/min

高速脈沖的頻率計算如下：

其中p為每轉所需脈沖數

絲杠采用螺距6mm

電機轉速F=1500 r/min=25 r/s

所選的脈沖輸出范圍在0~200KHZ以內可實現轉速要求

d.人機界面是操作人員與系統之間進行對話和信息交換的專用設置,在現代工業控制中,大多數采用觸摸屏來實現。它可以取代大部分傳統控制面板、按鈕開關、數字設定及指示燈等裝置，并且能實現遠程監控、明確顯示重要信息，有利于操作人員正確掌握機器狀況，避免出現錯誤。

2.2 控制系統軟件設計

根據以上對滾壓機自動控制系統的組成及控制原理的分析，軟件部分的設計包括有手動、及自動部分兩個程序塊。手動部分是為調整時使用的，在觸摸屏上按鈕可以完成相應的功能。在自動加工中，針對不同軸徑的參數設定窗口，主要列出了常用的參數表如主軸速度、進給速度、加工位置等等參數，自動部分可根據選擇不同的參數，來完成自動加工。另外，為了更好的實現自動加工的效率，每次開始加工工件時，不必對好起始位置（參數表），PLC會在此時調用就近移動滾壓臺至工件一端子程序。這個程序會通過現在機床所在位置與參數設定的兩端位置進行計算，就近快速移動動一端，然后根據加工要求進行加工。這樣可以方便操作、提高效率，免去了每次對刀的麻煩。

另外還編制了報警子程序，盡快查找故障，方便維修。

3 結束語

經實際的應用，進一步證明本系統工程自動化程度高、性能穩定可靠、故障點低、響應速度快、維護量小、操作方便，滿足了生產需要。

[1]《DVP-PLC應用技術手冊程序篇》中達電能股份有限公司.

[2]《DVP-B系列人機界面使用手冊》中達電能股份有限公司.

[3]《DAP03使用手冊》廣州數控設備有限公司.

[4]《DA98全數字式交流伺服系統安裝使用手冊》廣州數控設備有限公司.