PLC位置控制功能在QDC-1氣動(dòng)沖床上的運(yùn)用

王大勇

（恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450001）

1 QDC-1氣動(dòng)沖床介紹

QDC-1氣動(dòng)沖床是一款用來(lái)進(jìn)行管狀材料兩端沖制矩形孔的專機(jī)，該專機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)上采用了氣動(dòng)肌腱新技術(shù)，利用壓縮空氣通過(guò)大流量氣閥控制肌腱機(jī)構(gòu)輸出行程和力量，從而簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，消除沖頭動(dòng)力部分的機(jī)械接觸和摩擦，提高了能量轉(zhuǎn)化率。矩形孔在圓周上的孔距通過(guò)伺服電機(jī)配合高精度減速機(jī)進(jìn)行分度，設(shè)備在PLC位置控制功能指令及程序控制下完成工件圓周12個(gè)等分矩形孔的分度和沖制。

2 PLC位置控制功能介紹

PLC位置控制功能是將NC定位控制器和PLC邏輯控制器結(jié)合在一起，從而免去了PLC和NC之間數(shù)據(jù)交換的外部連線，簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)及程序控制結(jié)構(gòu)，降低了成本。PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)構(gòu)成一個(gè)微型位置控制系統(tǒng)，其原理是NC位置定位功能指令通過(guò)PLC發(fā)出高速脈沖信號(hào)，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器脈沖細(xì)分控制伺服電機(jī)運(yùn)行到達(dá)指定位置，在伺服電機(jī)位置編碼器參與下系統(tǒng)形成半閉環(huán)位置控制，從而達(dá)到較高的位置控制精度。這種方式簡(jiǎn)單易控，精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，成本低廉，可用于很多需要簡(jiǎn)易位置控制的專用機(jī)械，目前在大多數(shù)PLC上得到運(yùn)用。

3 電氣控制原理圖I/O配置及功能設(shè)計(jì)

根據(jù)QDC-1沖床電氣控制原理圖I/O配置（9個(gè)輸入點(diǎn)，4個(gè)輸出點(diǎn)，其中輸出點(diǎn)需要2個(gè)高速脈沖計(jì)數(shù)器輸出）及功能設(shè)計(jì)，對(duì)PLC選型為FBs-20MCTSINK，圖1為電氣原理示意圖。

3.1 I/O定義

X0：工件回零點(diǎn)開(kāi)關(guān)，X1：編碼器Z相零位脈沖，X2：回零按鈕，X3：手動(dòng)單沖按鈕，X4：驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備好信號(hào)，X5：沖頭上死點(diǎn)和壓縮空氣壓力檢測(cè)，X6：工作啟動(dòng)，X7：暫停，X8沖頭下死點(diǎn)。

圖1 電氣原理示意圖

Y0：高速計(jì)數(shù)器正向輸出（120KHz），Y1：高速計(jì)數(shù)器反向輸出（120KHz），Y3：伺服使能打開(kāi)，Y4：電控氣閥控制。

3.2 功能設(shè)計(jì)

（1）伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)選用ANSWER系列，電氣參數(shù)調(diào)整（電子齒輪比、最大速度、增益、反向間隙等）不在這里敘述。

（2）NC定位伺服指令設(shè)定如表1所示。

表1 伺服參數(shù)表

主要參數(shù)說(shuō)明：參數(shù)0→“1”時(shí)，程序內(nèi)所使用的行程與速度設(shè)定值都被指定以Pules為單位。參數(shù)1→900，為電機(jī)編碼器每轉(zhuǎn)輸出900個(gè)脈沖。參數(shù)6→10000，回零時(shí)，當(dāng)回零擋塊X0生效時(shí)，PLC輸出10KHz頻率驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。參數(shù)9.0→“0”時(shí)，輸出正轉(zhuǎn)脈沖，參數(shù)9.1→“0”時(shí)，按原點(diǎn)回歸方向繼續(xù)運(yùn)行。參數(shù)15.0→“X0”，零位開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)定義為“X0”，參數(shù)15.1→“X1”，編碼器零脈沖信號(hào)輸入點(diǎn)定義為“X1”上升沿。參數(shù)17→1，定義零脈沖到來(lái)時(shí)，尋找1個(gè)零脈沖信號(hào)作為零點(diǎn)標(biāo)志位。

（3）回零指令設(shè)定：圖2為伺服參數(shù)表寫(xiě)入指令，圖3為回零指令。

圖2 為伺服參數(shù)表面寫(xiě)入指令

圖3 回零指令

PLC上電M1924將定位伺服參數(shù)表里R500-R523的設(shè)定值寫(xiě)入FUN141.MPARA定位程序參數(shù)表設(shè)定指令里，F(xiàn)UN141指令配合FUN140NC定位高速脈沖輸出指令使用，M1924為PLC上電第一次掃描脈沖，屬于PLC特殊繼電器定義。在指令運(yùn)行中若出現(xiàn)參數(shù)錯(cuò)誤，該指令輸出錯(cuò)誤代碼，錯(cuò)誤代碼放入錯(cuò)誤碼緩存器R4060中，回零速度指令賦值，SPD40000DRVZ,MD2，MEND。注釋：指令以40KHz的脈沖頻率以MD2前緣回零方式接近機(jī)械零位開(kāi)關(guān)X0，然后以DRVZ指令完成回零。DRVZ指令是該P(yáng)LC為簡(jiǎn)化回零程序結(jié)構(gòu)單獨(dú)開(kāi)發(fā)出來(lái)的特殊指令，配合FUN141.MPARA參數(shù)表指令使用，總共提供MD0、MD1、MD2三種回零方式，這里選擇MD2前緣方式，回零時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 MD2前緣回零時(shí)序圖

（4）零點(diǎn)偏置指令設(shè)定：SPD6000DRVADR,+14900，PSMEND.注釋：指令以6kHz的脈沖頻率正向移動(dòng)14900個(gè)脈沖單位（編碼器當(dāng)前零刻線位置到機(jī)械初始位置的脈沖數(shù)），使機(jī)械位置找正，圖5為回零偏置控制程序。

圖5 回零偏置

當(dāng)回零定位指令完成，M105電氣回零完成信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，執(zhí)行該指令，完成零點(diǎn)偏置，這時(shí)M102機(jī)械回零完成置“1”，此時(shí)整個(gè)設(shè)備回零動(dòng)作完成，并保持在一個(gè)上電周期內(nèi)只完成一次回零動(dòng)作，圖6是回零動(dòng)作時(shí)序圖。

圖6 回零時(shí)序圖

（5）循環(huán)控制指令設(shè)定：SPD100000DRV,+,30000，PSWAITTIME,200GOTONENT。注釋：指令以100kHz脈沖頻率正向移動(dòng)30000個(gè)脈沖單位，然后等待2秒執(zhí)行下一動(dòng)作。M1922是系統(tǒng)1秒定時(shí)脈沖輸出，其作用是在步距完成后啟動(dòng)沖頭動(dòng)作，在氣壓臨界低點(diǎn)時(shí)，若第一沖未沖透工件，在第二個(gè)一秒到來(lái)或氣壓補(bǔ)足時(shí)沖第二沖，保證將工件沖透，圓周等分12個(gè)孔，孔距30000個(gè)脈沖單位，在計(jì)數(shù)器C1、C2配合下完成12個(gè)沖孔循環(huán)，圖7為步距控制程序。

（6）沖孔計(jì)數(shù)器：C2計(jì)數(shù)器用來(lái)檢測(cè)沖頭下死點(diǎn)X8下降沿到達(dá)信號(hào)，信號(hào)到達(dá)表示工件沖透，沖孔運(yùn)行指令使工件旋轉(zhuǎn)到下一沖孔位置，同時(shí)C2計(jì)數(shù)器的置位與復(fù)位用來(lái)限制循環(huán)指令在未沖透工件時(shí)的運(yùn)行，圖8為計(jì)數(shù)器程序。

圖7 步距控制

每當(dāng)沖孔完成執(zhí)行一次，M61使計(jì)數(shù)器C1累計(jì)，直到計(jì)數(shù)12次完成，C1輸出置'1'使計(jì)數(shù)器復(fù)位，同時(shí)使M70停止，循環(huán)結(jié)束，這時(shí)設(shè)備完成一個(gè)工件的制作。圖9是工件沖制動(dòng)作循環(huán)時(shí)序圖。

圖8 計(jì)數(shù)器程序

圖9 循環(huán)時(shí)序圖

（7）運(yùn)行保護(hù)：程序如圖10。

圖10 運(yùn)行保護(hù)

工作循環(huán)中若出現(xiàn)氣壓不足或上死點(diǎn)傳感器和下死點(diǎn)傳感器位置不正常及損壞，這時(shí)運(yùn)行保護(hù)會(huì)等待2秒使系統(tǒng)停止運(yùn)行，運(yùn)行保護(hù)程序保證了設(shè)備在非正常情況下工件轉(zhuǎn)動(dòng)及沖頭啟動(dòng)誤動(dòng)作，保證了設(shè)備安全及工件意外損壞。在沖頭沖下到回位時(shí)間不會(huì)超過(guò)1秒，因此在沖制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)X5、X8信號(hào)同時(shí)不到位的情況，但時(shí)間很短，不會(huì)造成運(yùn)行保護(hù)動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

利用PLC上NC定位伺服指令和NC高速脈沖輸出指令結(jié)合伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化控制，極大的提高了生產(chǎn)效率，減少了該工件加工的人工使用量，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了污染排放，節(jié)約了生產(chǎn)場(chǎng)地，為企業(yè)帶來(lái)了可明顯的經(jīng)濟(jì)效益。但是該套系統(tǒng)配置應(yīng)用在沖床設(shè)備上，會(huì)使伺服電機(jī)內(nèi)置編碼器易受到震動(dòng)干擾，偶爾會(huì)造成運(yùn)行精度誤差，所以在設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要考慮這方面的因素，盡可能消除震動(dòng)。PLC位置定位功能在該設(shè)備上的運(yùn)用，降低開(kāi)發(fā)成本，簡(jiǎn)化了硬件配置及控制程序，縮短了設(shè)備在機(jī)械設(shè)計(jì)和零件加工方面的制造周期，方便了用戶的使用及維護(hù)。