一種復(fù)合式超精研機(jī)電動(dòng)機(jī)變速控制方式

楊守鎮(zhèn)，康正坡，武魁，王長峰

(洛陽軸研科技股份有限公司 a.精機(jī)公司；b.精軸公司，河南 洛陽 471039)

在滾動(dòng)軸承專用內(nèi)、外圈及滾子超精研機(jī)加工過程中，要求對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)的2步超精：第1步為工件低轉(zhuǎn)速，油石高速在工件表面振蕩拋光，改善微觀形狀；第2步為工件高轉(zhuǎn)速，油石低速在工件表面振蕩拋光，改善表面粗糙度。工件轉(zhuǎn)速和油石振蕩頻率要能夠根據(jù)工件尺寸方便地隨時(shí)調(diào)整，因此，對(duì)超精研機(jī)用電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方法提出了更高的要求。

1 傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)變速控制方法

在變頻器出現(xiàn)之前，要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)隨意調(diào)速是一件困難的事情。純機(jī)械式的如齒輪箱變速，只能做固定變速，成本高、不可靠且維修困難。后來出現(xiàn)的交流電動(dòng)機(jī)+滑差調(diào)速器調(diào)速缺點(diǎn)也較多(電壓輸出為非線性，速度控制不穩(wěn)定等)。變頻器出現(xiàn)以后，無級(jí)變頻調(diào)速成為可能，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，成本已大大降低。主要的變頻調(diào)速控制方法如下。

(1)變頻器+電位器調(diào)速。外部電位器通過改變變頻器電壓實(shí)現(xiàn)變速，具有很好的線性關(guān)系，但缺點(diǎn)是不夠直觀，而且變速只能手動(dòng)調(diào)節(jié)。但其性價(jià)比高，在半自動(dòng)機(jī)床上仍有較多應(yīng)用。

(2)PLC+變頻器+觸摸屏通信方式調(diào)速。該變速控制方法是主流的超精機(jī)控制方式之一，如圖1所示。用PLC或者其他邏輯控制裝置在運(yùn)行中將頻率數(shù)值寫入變頻器，進(jìn)行變頻調(diào)速(可變速)，一般還需要配備觸摸屏進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)置及加工過程的顯示。此控制方法的缺點(diǎn)是：運(yùn)轉(zhuǎn)過程中向變頻器傳送頻率信號(hào)時(shí)一旦受到通信干擾，變頻器很容易死機(jī)，從而使機(jī)床的運(yùn)行陷入癱瘓。

① 通過觸摸屏向PLC中寫設(shè)置頻率 ；② 機(jī)床運(yùn)行中PLC向變頻器1寫頻率；③ 變頻器1控制電動(dòng)機(jī)1改變轉(zhuǎn)速；④機(jī)床運(yùn)行中PLC向變頻器2寫頻率；⑤ 變頻器2控制電動(dòng)機(jī)2改變轉(zhuǎn)速

(3)PLC+模擬量+變頻器+觸摸屏方式調(diào)速。該變速控制方法是另一種流行的控制方式，如圖2所示。邏輯控制器發(fā)出的頻率信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換裝置變?yōu)槟M量，再用模擬量控制變頻器的輸出頻率；需配備觸摸屏，設(shè)置2段的轉(zhuǎn)速。此方法因?yàn)樾枰陔妱?dòng)機(jī)運(yùn)行中一直傳送頻率模擬信號(hào)，同樣會(huì)受到通信干擾，但變頻器不會(huì)因?yàn)楦蓴_而陷入癱瘓。缺點(diǎn)是：對(duì)于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求高的情況，沒有較好的辦法避免干擾，因?yàn)樽冾l器本身就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場干擾；而且多變頻器控制時(shí)需要多個(gè)D/A輸出模塊，成本也較高。

① 通過觸摸屏向PLC中寫設(shè)置頻率；② PLC中的頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換為模擬量； ③ 機(jī)床運(yùn)行中D/A向變頻器1寫頻率；④變頻器1控制電動(dòng)機(jī)1改變轉(zhuǎn)速；⑤機(jī)床運(yùn)行中D/A向變頻器2寫頻率；⑥變頻器2控制電動(dòng)機(jī)2改變轉(zhuǎn)速

2 復(fù)合式控制原理

2.1 MODBUS通信的特點(diǎn)

MODBUS通信是一種基于RS-485接口的開放式通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于多種電氣設(shè)備中，在滿足這一通信協(xié)議的各種元器件之間可以自由共享數(shù)據(jù)而不必用戶發(fā)送通信命令。現(xiàn)在多數(shù)變頻器、PLC和觸摸屏都支持這一通信協(xié)議，復(fù)合式控制即是基于這一種通信協(xié)議而產(chǎn)生的。

2.2 變頻器的多段速控制

為了調(diào)速方便，變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置有多段速功能，通過外部接線導(dǎo)通變頻器內(nèi)部軟開關(guān)激活某一段或幾段多段速，設(shè)定相關(guān)的參數(shù)可以方便地使變頻器輸出多段頻率。然而設(shè)置參數(shù)必須在變頻器上進(jìn)行，給機(jī)床的操作帶來不便，除非固定使用某幾段速度，因此，很少用多段速進(jìn)行調(diào)速。

2.3 復(fù)合式控制

研究超精機(jī)調(diào)速裝置的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，參數(shù)的設(shè)置與機(jī)床的運(yùn)行大多數(shù)時(shí)間不是同步的，完全可以分開實(shí)現(xiàn)，而兩者單獨(dú)實(shí)現(xiàn)時(shí)就可以利用MODBUS通信和多段速控制的優(yōu)點(diǎn)。如果選用都支持MODBUS的觸摸屏和變頻器，那么參數(shù)的設(shè)置可以完全不用PLC，直接將多段頻率寫入變頻器。而在機(jī)床加工過程中又可以用多段速來進(jìn)行速度的切換，將兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整。利用該方法可以完全避免加工過程中的電磁干擾，使變頻器輸出穩(wěn)定的多段頻率，從而保證超精研機(jī)工作在最佳狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用復(fù)合式變速控制方案，如圖3所示。仍然采用變頻器作為調(diào)速裝置，利用變頻器自帶的MODBUS通信模塊與觸摸屏(帶MODBUS協(xié)議)進(jìn)行通信，設(shè)置串行口頻率，多段速1(根據(jù)需要的頻率段數(shù)可以增加多段速2，3等)作為機(jī)床運(yùn)行過程中的運(yùn)行頻率。在機(jī)床運(yùn)行過程中，用外部控制方式啟、停電動(dòng)機(jī)，并在變速時(shí)用多段速開通的方式變速。

① 設(shè)定參數(shù)時(shí)向變頻器1寫頻率；② 變頻器1控制電動(dòng)機(jī)1改變轉(zhuǎn)速； ③ 設(shè)定參數(shù)時(shí)向變頻器2寫頻率； ④ 變頻器2控制電動(dòng)機(jī)2改變轉(zhuǎn)速

根據(jù)MODBUS通信的特性[1]，直接在觸摸屏上以變頻器的內(nèi)存地址設(shè)置頻率輸入按鈕，避免了PLC編程向變頻器寫頻率的復(fù)雜程序，而且因?yàn)橥ㄐ胚^程只發(fā)生在參數(shù)設(shè)置階段，加工過程中完全不受電磁干擾。

復(fù)合式變速控制方案降低了成本，對(duì)于流程簡單的超精機(jī)，如半自動(dòng)超精研機(jī)，原程序的主要內(nèi)容是控制電動(dòng)機(jī)啟停和變速，完全可以省掉一個(gè)PLC；而且性能更加穩(wěn)定，加工過程中不受電磁干擾，基本上不用考慮電磁屏蔽的問題。

3 應(yīng)用實(shí)例

如圖3所示，選擇施耐德GXO3501觸摸屏作為控制裝置的邏輯主站和頻率發(fā)送裝置，易能EDS1000變頻器作為從站和頻率變送裝置，二者都支持MODBUS通信協(xié)議。設(shè)置步驟為：

(1)從變頻器手冊(cè)上查找到要通信的數(shù)據(jù)地址，如串口頻率和多段速的通信地址為2001H和021EH，變換為10進(jìn)制地址為8193和542。

(2)進(jìn)入觸摸屏編輯軟件[2]，設(shè)置變頻器的站號(hào)和通信口，本例中用觸摸屏COM2口作為與變頻器的通信口，變頻器站號(hào)設(shè)為ModbusRTU01，如圖4所示。

圖4 觸摸屏通信口設(shè)置

(3)在觸摸屏上建立通信變量，如串口頻率給定1和多段頻率1地址與步驟(1)中的地址對(duì)應(yīng)，如圖5所示。

圖5 觸摸屏變量設(shè)置

(4)在觸摸屏上建立參數(shù)設(shè)置按鈕，變量采用步驟(3)中建立的變量，如圖6所示。

圖6 觸摸屏參數(shù)設(shè)置舉例

(5)設(shè)置變頻器參數(shù)。

F0.00 10；串行口給定

F0.02 1；端子運(yùn)行命令控制，操作鍵盤STOP命令無效

F2.14 13；個(gè)位波特率，十位校驗(yàn)?zāi)Ｊ健Ｅc觸摸屏上的設(shè)置對(duì)應(yīng)，本例中波特率為9600BPS，偶校驗(yàn)

F2.15 1；廣播地址

F2.16 0 s；通信超時(shí)檢出時(shí)間，根據(jù)通信狀況適當(dāng)調(diào)整

F2.17 3 ms；應(yīng)答延時(shí)，根據(jù)通信狀況適當(dāng)調(diào)整

F4.00 001；設(shè)置變頻器為簡易PLC運(yùn)行

F4.01 001；設(shè)置第1階段運(yùn)行模式

F4.03 000；設(shè)置第2階段運(yùn)行模式

F5.00 1；選擇輸入端子X1為多段速控制端子

4 結(jié)束語

利用變頻器的多段速控制和觸摸屏與變頻器的MODBUS通信，在參數(shù)設(shè)置階段寫入運(yùn)行頻率和運(yùn)行時(shí)間，在運(yùn)行階段通過選擇多段速進(jìn)行頻率切換，實(shí)現(xiàn)變速的同時(shí)避免了通信的干擾問題，較好地實(shí)現(xiàn)了超精研機(jī)的變速控制。