基于20GM定位模塊的人字齒軸輥自動堆焊機控制系統

潘玉山

（江蘇聯合職業技術學院，江蘇 靖江 214500）

基于20GM定位模塊的人字齒軸輥自動堆焊機控制系統

潘玉山

（江蘇聯合職業技術學院，江蘇 靖江 214500）

針對原始軸輥堆焊設備定位精度差、加工質量不穩定、堆焊效率低等缺陷，提出利用FX2N- 20GM定位模塊、FX2N系列PLC和步進電機組合的控制系統方案。實踐表明，該控制系統能實現焊槍與軸輥聯動控制，保證軸輥獲得準確堆焊齒形，大大改善工作環境，提高加工效率。

人字齒軸輥；20GM定位模塊；PLC；控制系統

0 引 言

人字齒軸輥是碾碎機械的關鍵部件，也是易損件之一。如何提高人字齒軸輥的使用壽命和快速生產加工與修復，已成為碾碎加工提高生產率、降低消耗的重要課題。人字齒軸輥加工與修復的關鍵宜解決以下兩個問題：一是保證齒面具有足夠的硬度（>HRC55）與耐磨性；二是形成人字齒形。堆焊技術以其堆焊層質量穩定、表面成形美觀、硬度高、耐磨性好、耐疲勞性強等優點可以解決問題一[1]；問題二的解決則需要借助于專用堆焊設備，通過控制焊槍和軸輥間的相對運動完成所需要的堆焊形狀。由于可編程控制器（PLC）是專門在工業環境下應用而設計的一種工業控制計算機，具有抗干擾能力強、可靠性高等顯著優點，是實現機電一體化的理想控制裝置[2]。通過實踐與深入研究，本文提出利用PLC和定位模塊控制步進電機的人字齒軸輥自動堆焊機的控制系統。

1 控制系統硬件設計及實現

1.1 人字齒軸輥堆焊基本生產工藝

結合堆焊工藝要求和軸輥人字齒形（見圖1）的特點，擬采用分層堆焊一個齒后，再堆焊加工第二個齒，依此類推。依據該控制系統的工作流程，可以得出其堆焊步驟為：（1）動力開啟；（2）機械、電氣原點回歸；（3）各軸快進至工作位置；（4）堆焊輪齒第一層；（5）堆焊輪齒第二層（根據層高要求堆焊第三層等）；（6）分度；（7）重復（3）～（5）的動作，完成所有輪齒堆焊，并符合尺寸、硬度要求；（8）原點回歸。

圖1 堆焊軸輥人字齒形

1.2 控制系統的組成

考慮到其經濟性，堆焊機在普通C6140×1500機床的基礎上改造而成，并將機床的旋轉向作為Z軸，機床縱向作為X軸，橫向作為Y軸。縱、橫向直線運動采用滾珠絲杠步進電機驅動。控制系統采用觸摸屏（選用A960GOT）輸入顯示數據，通過PLC(選用FX2N-32MR)和定位模塊（選用FX2N-20GM）控制步進電機，以控制焊槍按照齒形要求堆焊軸輥。從堆焊加工過程來看，主要包括焊槍縱向（左右）運動與軸輥旋轉運動、焊絲送進運動、焊槍橫向（前后）調整等主要動作，而這些動作分別由對應電機驅動完成，其中焊槍縱向（左右）運動與軸輥旋轉運動需要用20GM定位模塊來實現。此外，控制系統還具備實現對焊劑控制閥、焊接電源控制，以及對焊接電源的檢測等輔助控制部分。利用PLC和定位模塊實現人字齒軸輥自動堆焊機控制系統的設計如圖2所示。

圖2 人字齒軸輥自動堆焊機控制系統

2 控制系統軟件設計及實現

2.1 20GM定位模塊參數及m碼操作

20GM定位模塊通過參數設定才能滿足各方面要求。定位模塊參數主要包括定位參數、I/O控制參數和系統參數三種類型，每種類型又包括若干參數，如定位參數含單位體系、機械零點和速度等。相關參數具體設定和操作方法參見《三菱FX2N-10GM 和 FX2N-20GM硬件/編程手冊》[3-4]。

定位模塊m碼指令用來驅動各種協助定位操作設備，如軸輥旋轉運動和焊槍縱向（左右）運動。在執行定位程序時，m碼被驅動，m碼開信號打開，并作為狀態信號存在定位模塊對應的特殊輔助繼電器（Ms）中，同時被驅動的m碼編號被存入對應的特殊數據寄存器（Ds）中，在m碼關閉信號未打開前，m碼始終保持打開狀態。m碼的關閉一般是由PLC發送m碼關閉命令傳送給定位模塊對應的特殊Ms，并改變開信號對應特殊Ms的狀態。m碼信息與特殊Ms/Ds及緩沖存儲器（BFM）的對應關系見表1。

表1 m碼信息與特殊Ms/Ds及BFM的對應關系

2.2 20GM定位模塊與PLC之間的通信

由于對自動堆焊機系統的控制是由PLC和20GM定位模塊共同來完成的，因而兩者之間必須實現通信。PLC用FROM/TO指令對20GM定位模塊內部BFM進行讀寫操作，以達到兩者之間的信息交換。FROM指令是把定位模塊BFM中的內容讀到PLC中，TO指令則與FROM指令相反，是把PLC的內容寫到定位模塊BFM中,如圖3所示。在20GM定位模塊中，一旦m碼被驅動，PLC通過FROM指令讀信息，執行PLC直接控制的輔助設備操作，而此時20GM定位模塊處于等待狀態。當輔助設備操作結束，PLC通過TO指令發送m碼關閉命令，使20GM定位模塊繼續執行定位程序[5]。20GM定位模塊與PLC之間的通信程序如圖4所示。

圖3 20GM定位模塊與PLC之間的通信

圖4 20GM定位模塊與PLC之間的通信程序

圖4中，X1為啟動按鈕，X2為停止按鈕，M1為輔助動作1（送焊劑、送絲、引弧）完成信號，M2為輔助動作2（滅弧、停止送絲、關焊劑）完成信號，Y11控制輔助動作1，Y12控制輔助動作2。加工參數先通過人機界面寫到PLC中，再用PLC TO指令，將其寫到定位模塊，自動堆焊機則按照這些參數完成堆焊運動，直至加工出所需要的堆焊齒形。m碼被驅動時，PLC用FROM指令讀m碼打開信號及m碼的編號，使M51接通，并調用解碼指令DECO對讀到的m碼編號進行解碼。M10驅動時，解碼為M110接通，驅動Y11，同樣，M11驅動時，解碼為M111接通，驅動Y12。輔助動作1、2結束，分別使M31、M32接通，均驅動M3。M3信號作為m碼關閉命令，通過PLC TO指令傳送給定位模塊，實現了m碼的關閉。如此，程序按照預先設定一步一步執行每個動作，完成整個加工過程。

2.3 20GM定位模塊兩軸聯動加工程序

當該控制系統啟動后，第一次按下“啟動”按鈕，控制系統兩坐標軸自動、單獨回原點，原點位置均為0。在該控制系統回原點后，再次按下“啟動”按鈕，自動完成如下動作循環：（1）送焊劑、送絲、引弧；（2）X軸、Z軸插補到X400，Z150；（3）再插補到X800，Z0；（4）滅弧、停止送絲、關焊劑；（5）快速到原點；（6）重復（1）～（5）步驟；（7）Z軸快速定位相對值14；（8）重復（1）～（7）98次，動作結束。

為了實現以上動作控制，需要對PLC與20GM定位模塊編制兩種不同的控制程序。在PLC中主要進行輸入、輸出的邏輯處理與模塊動作控制；在20GM定位模塊中主要進行定位控制。同時必須對20GM定位模塊設定相應的控制參數。其加工程序[6]如下：

3 結束語

利用PLC和20GM定位模塊可充分體現人字齒軸輥自動堆焊機控制系統靈活、可靠性高的特點，完全滿足軸輥堆焊加工要求，克服原有加工設備勞動強度大、質量不穩定等缺陷，提高定位精度，較之人工定位方式提高生產效率近10倍。更重要的是，該堆焊設備改善了加工環境，提高了材料利用率，避免了二次人工修整打磨，降低了資源消耗，符合“循環經濟”的要求。

[1]關旭，柳長青，王文，等.輥子自動堆焊設備的研制[J].焊接，2008(3):64-66.

[2]唐立偉，李和平.FX2N-20GM在玻璃鉆孔加工中的應用[J].電氣應用，2008(12):12-14.

[3]三菱電機公司.三菱FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件/編程手冊[M].MITSUBISHI，2000:4-17.

[4]李紅，董偉.基于FX_(2N)-10GM定位模塊的圓臺磨床數控系統[J].機床電器，2007(4):16-18.

[5]祝銘尉，許昌，魏艷紅.數控彎管機中定位模塊的應用[J].機械工程師，2007(2):125-126.

[6]黃菊生，劉美俊，龔存宇，等.三菱定位控制單元m碼通信及應用開發[J].電氣傳動，2006(8):51-53.

[責任編輯：蔡 兵]

Control System of Automatic Surface Welding Machine of Herringbone Gear Shaft Roller Based on 20GM Positioning Module

PAN Yushan
(Jiangsu Joint Vocational & Technical College, Jingjiang, 214500, China)

In the light of the inaccurate positioning, instable processing and low efficiency surface welding of the original shaft roller equipment, this paper presents a control system consisting of FX2N-20 GM positioning module, PLC of FX2N Series and stepping motor. It shows that the system can obtain the joint control of welding torch and shaft roller, and ensure the accurate welding gear of shaft roller, which has greatly improved the working environment and promoted the processing efficiency.

Herringbone gear shaft roller; 20GM positioning module; PLC; Control system

TP273

A

1671-4326(2011)01-0059-03

2010-12-11

潘玉山（1967—）男，江蘇揚州人，江蘇聯合職業技術學院高級講師，碩士.