數(shù)字液壓缸在機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉輝 王曉剛

（內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份公司, 內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029000）

1 數(shù)字液壓缸

數(shù)字液壓缸主要有步進(jìn)電機(jī)、減速齒輪和液壓力放大器等幾大部分組成。數(shù)字液壓缸的工作正是由步進(jìn)電機(jī)接受控制電路所輸出的脈沖信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和信號(hào)的功率放大，驅(qū)動(dòng)液壓缸輸出功率及位移。

2 PLC對(duì)數(shù)字液壓缸的控制方案

本文所述掘進(jìn)機(jī)器人即是通過(guò) PLC 直接控制數(shù)字液壓缸，從而帶動(dòng)懸臂的上下和左右的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人的仿形切割。其數(shù)字液壓缸控制方案如圖1 所示。

圖1 數(shù)字液壓缸控制方案

3 PLC對(duì)數(shù)字液壓缸的控制過(guò)程

PLC 控制數(shù)字液壓缸主要有三個(gè)因素：

1）行程控制，數(shù)字液壓缸活塞的行程正比于所輸入的控制脈沖個(gè)數(shù)

式中， LΔ——數(shù)字液壓缸活塞位移量（mm）；

δ——活塞位移的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）。

2）速度控制，數(shù)字液壓缸活塞的速度取決于PLC 輸出的脈沖頻率

式中，fv——數(shù)字液壓缸活塞的進(jìn)給速度（mm）。

3）運(yùn)動(dòng)方向控制，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向，因此可以通過(guò)PLC 的輸出端輸出高低電平的方向控制信號(hào)來(lái)改變硬件環(huán)形分配器的輸出順序，或者通過(guò)編程來(lái)改變PLC 輸出脈沖的順序，從而改變步進(jìn)電機(jī)繞組的通電順序。

數(shù)字液壓缸控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器和環(huán)形分配器所組成。

PLC 輸出一定數(shù)量的數(shù)字脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，從而控制數(shù)字液壓缸的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)PLC 可以通過(guò)編程來(lái)控制輸出脈沖的頻率，進(jìn)而可以控制數(shù)字液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的速度。PLC 通過(guò)環(huán)行脈沖分配器將其輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。步進(jìn)電機(jī)采用軟件環(huán)行分配器和硬件環(huán)行分配器均可[。步進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)器可以放大PLC 輸出的控制脈沖，通常功率步進(jìn)電機(jī)需要幾十伏到上百伏、幾安到十幾安的驅(qū)動(dòng)能力，雖然PLC 的輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負(fù)載能力僅為十幾到幾十伏、幾十到幾百毫安，所以必須采用驅(qū)動(dòng)器對(duì)輸出脈沖進(jìn)行放大。

本文所述掘進(jìn)機(jī)器人，共有三個(gè)數(shù)字液壓缸，均采用硬件環(huán)形分配器，每個(gè)數(shù)字液壓缸占用PLC 的IO 口點(diǎn)數(shù)為3點(diǎn)，其中I 口一點(diǎn)，為啟動(dòng)控制信號(hào)，O 口占用2 點(diǎn)，一點(diǎn)為PLC 的脈沖輸出接口，另一點(diǎn)輸出步進(jìn)電機(jī)的方向控制信號(hào)。接口分配如圖2。

圖2 PLC 控制數(shù)字液壓缸的接口分配

若使PLC 輸出脈沖，可采用兩種方法：

1）通過(guò)PLC 軟件編程。三菱FX2N 系列PLC 的編程指令中，PLS/PLF 為脈沖輸出指令，使用指令PLS，元件僅在驅(qū)動(dòng)輸入接通后的一個(gè)掃描周期內(nèi)動(dòng)作；使用PLF 指令，元件僅在驅(qū)動(dòng)輸入斷開后的一個(gè)掃描周期內(nèi)動(dòng)作。輸出的脈沖總數(shù)可以用計(jì)數(shù)器來(lái)控制，當(dāng)脈沖總數(shù)達(dá)到我們所要求值時(shí)，計(jì)數(shù)器可以切斷脈沖輸出回路。計(jì)數(shù)器可以采用斷電保持式增量計(jì)數(shù)器，它能夠在斷電后保持已經(jīng)記下的數(shù)值，再次通電后，只要復(fù)位信號(hào)從來(lái)沒(méi)有對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位過(guò)，則計(jì)數(shù)器將在原來(lái)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)計(jì)數(shù)。輸出的頻率可以通過(guò)定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)控制周期。在對(duì)數(shù)字液壓缸運(yùn)動(dòng)速度要求較高時(shí)，可以使用PLSY 指令，即以指定的頻率產(chǎn)生指定數(shù)量的脈沖的指令。

2）采用脈沖輸出模塊。三菱 FX2N 系列 PLC 配備有FX2N-1PG 脈沖輸出模塊，它配備有便于定位控制的七種操作模式，F(xiàn)X2N 可以連接多達(dá) 8個(gè)塊，輸出脈沖頻率高達(dá)100kHz，定位目標(biāo)的追蹤、運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及各種參數(shù)可以通過(guò)PLC 的FROM/TO 指令設(shè)定，除脈沖輸出外，還備有各種高速響應(yīng)的輸出端子。FX2N-1PG 脈沖輸入輸出性能見表1。

表1 FX2N-1PG 脈沖輸出模塊輸入輸出性能

[1]陳潔,孫汝軍.電液私服閥的 PLC 控制[J].機(jī)床電器，2007，3：49-50.

[3]萬(wàn)天才.多功率驅(qū)動(dòng)放大電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2000，30：56-58.