PLC在二維磨削力控制砂帶磨削機(jī)床中的應(yīng)用

李成群，劉啟站，李建功

LI Cheng-qun，LIU Qi-zhan，LI Jian-gong

（河北聯(lián)合大學(xué) ，唐山 063009）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外復(fù)雜幾何形狀工件（高檔水龍頭、航空葉片、汽輪機(jī)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(jī)床和數(shù)控磨削機(jī)床。普通磨床的人工磨削費(fèi)時(shí)且勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工成品率低；專用磨削機(jī)床通用性差，適合批量生產(chǎn)；數(shù)控磨削機(jī)床成本高、編程復(fù)雜。近年來(lái)，機(jī)器人磨削加工技術(shù)引起人們的關(guān)注，與數(shù)控機(jī)床相比，具有柔性好、智能化、精度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

機(jī)器人磨削系統(tǒng)使用機(jī)器人離線編程技術(shù)，集標(biāo)定、生產(chǎn)、檢測(cè)于一體，工件的磨削效率高，表面質(zhì)量好，可自動(dòng)裝卡工件，適用于工件的自動(dòng)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(jī)床是機(jī)器人磨削系統(tǒng)的重要組成部分。其控制部分不僅關(guān)系到二維磨削力控制砂帶磨削機(jī)床的可操作性能和工件的加工質(zhì)量，而且也影響機(jī)器人對(duì)磨削機(jī)床的控制及機(jī)器人磨削系統(tǒng)的可靠性。

1 二維磨削力控制砂帶磨削機(jī)床的組成及工作原理

二維磨削力控制砂帶磨削機(jī)床由上、下兩個(gè)砂帶磨削機(jī)床組件組成，如圖1所示。

上、下兩砂帶磨削機(jī)床組件均采用平行四邊形機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器人抓持工件在砂帶磨削機(jī)床上磨削加工時(shí)，同一時(shí)刻只在一個(gè)磨削機(jī)床組件上磨削加工。

圖1 二維磨削力機(jī)器人砂帶磨削機(jī)裝配圖

下砂帶磨削機(jī)床組件只有一個(gè)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(shù)，且該機(jī)構(gòu)與上砂帶磨削機(jī)床組件共用一個(gè)比例閥與伺服氣缸來(lái)控制上、下砂帶磨削機(jī)床組件的水平力控制。當(dāng)接觸力大于設(shè)定值時(shí)，下砂帶磨削機(jī)床組件橫梁拉動(dòng)彈簧后退，使作用于伺服氣缸上的力增大，比例閥開(kāi)始調(diào)整進(jìn)行排氣，使伺服氣缸內(nèi)壓力維持在設(shè)定值。

上砂帶磨削機(jī)床組件含有轉(zhuǎn)位鎖緊機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)位鎖緊機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)臂上安裝兩個(gè)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(shù)，磨削力大小分別由兩個(gè)比例閥控制兩個(gè)伺服氣缸來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)磨削力大于設(shè)定值時(shí)，水平力的控制與下砂帶磨削機(jī)床組件磨削力控制原理相同；在垂直方向上，滑塊帶動(dòng)伺服氣缸運(yùn)動(dòng)，氣缸內(nèi)壓力發(fā)生變化，比例閥開(kāi)始調(diào)整進(jìn)氣或排氣，使伺服氣缸內(nèi)壓力維持在設(shè)定值，從而可控制平面內(nèi)任意方向磨削力的大小。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置及其功能

以三菱FX系列PLC為核心的控制系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。整個(gè)控制系統(tǒng)包括：

圖2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

PLC控制器及擴(kuò)展模塊（A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器）、氣動(dòng)控制、機(jī)器人控制器、人機(jī)交互器、伺服電機(jī)控制系統(tǒng)、變頻電機(jī)控制系統(tǒng)等。

2.1 PLC控制器及擴(kuò)展模塊

1）PLC控制器：對(duì)整套工藝系統(tǒng)分析，進(jìn)行I/O分配，需要輸入點(diǎn)數(shù)為12，輸出點(diǎn)數(shù)為11，PLC型號(hào)可選用FX2N-32MT-001，其輸入點(diǎn)數(shù)與輸出點(diǎn)數(shù)均為16，且有串行通訊模塊和功能擴(kuò)展模塊，使用特殊功能模塊或功能擴(kuò)展模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)通訊控制[4]。

2）A/D轉(zhuǎn)換器：在自動(dòng)張緊裝置中，低摩擦氣缸的壓力值經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量才能被PLC處理。其型號(hào)為FX2N-2AD，有2個(gè)輸入通道，每一通道都可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其分辨率為12位。

3）D/A轉(zhuǎn)換器：在接觸力補(bǔ)償系統(tǒng)中，PLC需將設(shè)定氣壓值經(jīng)D /A轉(zhuǎn)換后才能傳送給比例閥進(jìn)行氣壓調(diào)節(jié)。變頻電機(jī)控制系統(tǒng)中，將控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)傳輸給變頻器，通過(guò)模擬量控制不但可以提高加工精度，而且節(jié)約I/O點(diǎn)數(shù)。其型號(hào)為FX2N-4DA，有4個(gè)輸出通道，每一通道都可進(jìn)D/A轉(zhuǎn)換，其分辨率為12位。

2.2 氣動(dòng)控制

氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示，氣源經(jīng)過(guò)氣源三聯(lián)件后，分為三路：

圖3 氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

一路經(jīng)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(dòng)張緊，張緊力通過(guò)減壓閥來(lái)調(diào)節(jié)。一般在0.2～0.4 MPa。壓力傳感器檢測(cè)張緊氣缸內(nèi)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(tǒng)進(jìn)行磨削加工作業(yè)，防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。

另兩路經(jīng)過(guò)25μm過(guò)濾器、比例壓力閥、二位五通電磁閥，最后分別到達(dá)水平接觸力補(bǔ)償氣缸和垂直接觸力補(bǔ)償氣缸。該回路用于磨削時(shí)接觸力補(bǔ)償，其工作原理：用機(jī)器人控制器或人機(jī)交互器設(shè)定比例閥工作的氣壓，PLC將該氣壓值經(jīng)D /A轉(zhuǎn)換后傳送給比例閥。在磨削加工過(guò)程中，當(dāng)接觸力波動(dòng)時(shí)，比例閥會(huì)自動(dòng)將氣壓維持在上述設(shè)定值，抵消接觸力波動(dòng)對(duì)氣壓的影響。

2.3 機(jī)器人控制器

機(jī)器人控制器選用“ABB IRB M2000”系列機(jī)器人。在PLC與機(jī)器人通訊中，根據(jù)磨削工藝要求、機(jī)器人姿態(tài)對(duì)砂帶磨削機(jī)床接觸輪位置的要求以及對(duì)磨削力的要求等,通過(guò)機(jī)器人控制器與砂帶磨削機(jī)床控制器的通訊,可在線改變磨削機(jī)床的磨削參數(shù)、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(duì)不同形狀曲面工件的磨削加工[1]。

2.4 人機(jī)交互器

本系統(tǒng)人機(jī)交互器采用觸摸屏控制，其型號(hào)為F940WGOT-TWO-C，它可在觸摸屏上直接對(duì)PLC進(jìn)行監(jiān)控及編程。觸摸屏界面由觸摸屏組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、編譯，然后通過(guò)RS232編程電纜下載到觸摸屏即可使用。用觸摸屏作為人機(jī)交互器，既可以簡(jiǎn)化、方便作業(yè)管理，又可以監(jiān)控和報(bào)警，在觸摸屏上顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，通過(guò)觸摸屏還可以在線進(jìn)行轉(zhuǎn)位控制、調(diào)整速度、氣壓等加工工藝參數(shù)。

2.5 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

PLC控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等組成伺服控制系統(tǒng)來(lái)控制轉(zhuǎn)位鎖緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行換位。伺服電機(jī)在驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)接觸輪旋轉(zhuǎn)換位，目標(biāo)位置由光電編碼器的反饋信號(hào)反饋給PLC控制器，在PLC控制器的控制下保證旋轉(zhuǎn)的精度，機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)有編碼器進(jìn)行位置反饋，定位準(zhǔn)確，為系統(tǒng)離線編程提供了方便，避免了頻繁換輪和重新標(biāo)定，節(jié)省了加工時(shí)間。其硬件配置如下：

1）伺服驅(qū)動(dòng)器：伺服驅(qū)動(dòng)器選取型號(hào)為MRJ2S-100A，分辨率為131072脈沖/轉(zhuǎn)的絕對(duì)位置編碼器，具有位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式、位置/速度控制切換模式、速度/轉(zhuǎn)矩控制切換模式、轉(zhuǎn)矩/位置控制切換模式多種控制方式。

2）伺服電機(jī)：伺服電機(jī)選取型號(hào)為HCSFS81，額定功率為0.85KW，滿載轉(zhuǎn)速為1000r/min。

2.6 變頻電機(jī)控制系統(tǒng)

使用D/A轉(zhuǎn)換功能，將PLC中12位的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～10V電壓信號(hào)，變頻器的輸出頻率在這個(gè)電壓信號(hào)的控制下調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變砂帶的速度。

1）變頻器：變頻器是實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)調(diào)

速的關(guān)鍵元器件，它是利用電力半導(dǎo)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(jī)，滿足工程要求。

2）變頻電機(jī)：選取型號(hào)為Y90L-2，其額定功率為2.2KW，滿載轉(zhuǎn)速為2840r/min。

3 控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境過(guò)于惡劣、電磁干擾特別強(qiáng)烈、突然斷電等情況發(fā)生時(shí)，經(jīng)常造成PLC接受錯(cuò)誤信號(hào)，產(chǎn)生誤動(dòng)作，或使PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)瓜到y(tǒng)失控。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的可靠性措施，以消除或減小抗干擾的影響，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。

1）接地保護(hù)設(shè)計(jì)：接地是抑制干擾、使系統(tǒng)可靠工作的主要方式。PLC一般應(yīng)與其他設(shè)備分別采用各自獨(dú)立的接地裝置，若有其他因素影響而無(wú)法做到，也可以采用公共接地方式，但要禁止使用串聯(lián)接地的方式或把接地端子接到一個(gè)建筑物的大型金屬框架上，此種接地方式會(huì)在設(shè)備間產(chǎn)生電位差，對(duì)PLC產(chǎn)生不利影響；電纜屏蔽層必須一點(diǎn)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(guò)屏蔽層，產(chǎn)生干擾。

2）供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：PLC供電系統(tǒng)中可采用隔離變壓器、UPS電源、雙路供電等保護(hù)措施。

3）冗余設(shè)計(jì)：冗余設(shè)計(jì)的目的是PLC已可靠工作的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步提高其可靠性，減少出故障的幾率和故障后的修復(fù)時(shí)間。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

二維磨削力控制砂帶磨削機(jī)床的軟件設(shè)計(jì)包括PLC軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏軟件設(shè)計(jì)。

4.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

由于砂帶磨削系統(tǒng)上砂帶磨削機(jī)床組件接觸輪直徑相對(duì)較小，主要應(yīng)用于大曲率曲面工件的磨削，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)稱為小輪單元；而下砂帶磨削機(jī)床組件接觸輪直徑比較大，主要應(yīng)用于平面、小曲率曲面工件的磨削，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)稱為大輪單元。

圖4 PLC控制軟件系統(tǒng)邏輯流程圖

軟件系統(tǒng)總體可分為響應(yīng)面板操作子程序、機(jī)器人通信子程序、HMI人機(jī)交互子程序三大模塊。響應(yīng)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(jī)器人通信子程序、HMI人機(jī)交互子程序主要應(yīng)用于系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，如電機(jī)速度、接觸輪位置、接觸力氣缸壓力值等。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需調(diào)用電機(jī)速度調(diào)整子程序、接觸輪位置調(diào)整子程序、接觸力補(bǔ)償調(diào)整子程序。根據(jù)系統(tǒng)的工藝過(guò)程與系統(tǒng)的控制要求，可得PLC控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

4.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)二維磨削力控制砂帶磨削機(jī)床的控制和操作要求，設(shè)計(jì)了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、信號(hào)監(jiān)控界面、參數(shù)顯示界面等。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)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(jié)合的砂帶磨削機(jī)床的組成、工作原理、控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)將機(jī)器人重復(fù)定位精度高的特點(diǎn)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(shí)踐證明，該系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高。

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