高速沖槽機等分間歇沖槽創新程序設計

摘 要： 以往沖槽機在沖制間隙槽沖片時采用機電裝置控制沖頭進行沖制，速度慢，損耗大，效率低。為了提高效率，降低損耗，則需在PLC控制程序上進行創新設計：由新設計控制程序來代替原間隙沖控制方式，根據間隙沖工藝特點，設計新的計算公式和控制方式，合理分配余數脈沖，即保證沖片精度，又提高機床運行速度，使產品合格率由原91.5%提高到99.3%，加工速度提高18%。并減掉這部分機電硬件，提高了設備可靠性。通過改造，說明較好的PLC程序設計完全可以更好地替代原硬件控制功能。

關鍵詞： 沖槽機； 間歇沖； 分度； PLC程序設計

中圖分類號： TN911?34； TP205 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0087?04

0 引 言

隨著自動化設備對控制的高精度、高響應性需求的不斷增加，自動化控制技術不斷提高。精準的高速定位控制得到了廣泛應用。PLC這一工業控制方式也從早期的邏輯控制領域不斷擴展到運動控制領域實現了以往PLC無法完成的運動控制功能。

臺達PLC采用IEEE754的標準，該公司WPL編程器是應用程序開發平臺，熟練掌握WPL編程器的使用方法將會使用戶開發應用程序極為方便。 DVP20PM 是臺達公司PLC家族中運動控制器，內含雙CPU，具有較強的運算處理能力，內嵌電子凸輪功能，可輕松完成兩軸運動控制，性價比較高[1]。不足之處是輸出采用脈沖式信號方式，輸出最大伺服控制頻率為500 kHz，但在實際使用測試中發現輸出頻率只能表現在350 kHz以下，這樣，系統數據分辨率被限制在較低的水平上，例如：伺服電機旋轉一圈的脈沖數只能設定在360 000個/圈較為適當，即1°為1 000個脈沖。由下式可知系統數據分辨率與伺服電機轉速及輸出頻率之間的關系：

[Qn60N≤Fd]

即：

[Q≤FdN60n]

式中：Q為系統數據分辨率；n為伺服電機每分鐘工作轉速；N為機械齒輪減速比；Fd為輸出控制頻率（實際在主軸600 r/min系統最高轉速情況下，伺服輸出控制頻率由于與主軸為電子凸輪同步關系，輸出控制頻率約為310 kHz左右）。

沖槽機中采用的伺服電機額定轉速為1 500 r/min ，一般較佳穩定工作轉速在750 r/min左右，機械齒輪減速比為1∶15，通過上式計算，系統數據分辨率只能在360 000 p/每圈。

通過上式分析，控制器輸出頻率較低限制了系統數據分辨率的提高。

1 等分間歇沖槽程序設計思路

由于20PM計算數據分辨率較低，這給設計相應的PLC程序帶來了較大的困難，例如：用戶設計沖制35槽產品，[360 00035]=10 285.714 285 7個脈沖，遇到除不盡數據，即每槽為10 285個脈沖，每槽還余下0.714 285 7個脈沖（PLC控制最小單位為1個脈沖，每槽余數脈沖信號PLC無法執行操作），35槽共余約25個脈沖，如果丟棄25個余數脈沖，一方面將產生計算控制誤差，沖制精度將大大下降。另一方面伺服電機旋轉一圈將會是360 000-25=359 975，即359.975°，回不到原點。

因此，就要想辦法把這25個余數脈沖均勻分配到35槽中。也就是說要用另外控制程序來處理這件工作，這段程序一般設計成子程序，其流程圖如圖1所示。

其控制部分程序如圖2所示。

采用上述編程方式是為了把余數脈沖較均勻地分配在全部槽數中，即有的槽分配10 285個脈沖，有的槽分配10 285+1個脈沖。如果總余數脈沖數大于總槽數的一半以上，即不能間隔分配余數脈沖，只能連續在每一槽中放置一個余數脈沖，即從第1槽到第25槽每槽脈沖數是10 286個，第26～35槽每槽為10 285個脈沖。

如果小于總槽數的一半，則可以間隔槽數放置，即槽1=10 286、槽2=10 285、槽3=10 286、槽4=10 285個脈沖……，這樣在沖片園周上更均勻對稱一些。

上述情況比較簡單，程序編制還算是較容易。但有的用戶設計有特殊電機沖片，即同樣總槽數是有余數脈沖，沖制方式是：例如沖3槽，旋轉2槽的角度位置不沖孔槽，即俗稱間歇沖。

其示意圖如圖3所示。

仍然以總槽數為35槽來說明問題，即有余數脈沖數為25個，設定沖3槽停2槽沖制方式，共有7組間歇槽（見圖3），為了保證這25個余數脈沖放置均勻，設計成余數脈沖都分配在停沖槽角度中（停沖槽也稱跨步槽），以保證沖制槽槽距都相等，這樣分配余數脈沖能符合用戶電機設計工藝要求（在沖片直徑=500 mm時，一個脈沖約為0.005 mm）。

接下來是要仔細分析如何分配這些余數脈沖，總跨步槽為7組，[257]=3，余4，即每個跨步槽分配3個余數脈沖（跨步槽實為三槽角度，即10 285×3）后還余4個脈沖，這4個脈沖是余數25計算余出的脈沖數，稱之為次余數，次余數仍然還要再次分配，要判斷是否大于總間歇組數的[23]倍，如果大于，則再連續放置跨步槽中，如果小于則要間隔放置。現在是4個次余數，按照上述規劃：

次余數<總間歇組數×[23]

即：

2 設計梯型圖控制程序

程序設計中關鍵點是信號控制時序，因為控制方式使用了20 PM控制器內嵌電子凸輪功能[2]，定心伺服軸作為從軸跟隨滑塊主軸同步運動，在高速沖制過程中需要動態改變數據，控制命令脈沖起始時間是非常重要的，這種控制命令脈沖最好是由控制器本身提供，這樣的控制信號才能與內嵌電子凸輪模塊配合的很好，能把準確計算出的數據正確及時輸入到相關寄存器中，實行準確分度。如果時序安排不準確，盡管設計方法正確，數據計算也無問題，但機床運行起來還是達不到設計要求，甚至回不了原點。程序設計流程圖見圖4。

通過試驗在DVP20PM控制器中找到了這樣關鍵點控制信號：即M1813，M1812。控制時序示意圖見圖5[2]。其中n為滑塊下止點處，n+D1為分度起始點處，n+D2為分度結束點處。因采用是周期式電子凸輪模式，每沖制槽波形都是相同的，跨步槽波形也是相同的，上圖是反應沖制槽波形狀態，在上一周期結束后，M1813，M1812組合控制將變動數據立即送入凸輪數據寄存器中，控制伺服軸進行變動分度。從表1可知：沖制槽距為10 285個脈沖，而跨步槽槽距是30 858與30 859個兩種脈沖數，伺服電機在相同的時間段內因槽孔距在改變，伺服電機運轉速度也在變化。即沖制槽時電機速度慢，跨步槽時電機速度運轉快。

用戶在控制面板中可以輸入總沖槽數、沖制（剪）槽數、停沖槽數，按下允許間歇沖按鈕，即可開始沖制特殊電機沖片。觸摸屏控制面板見圖6。具體部分程序編制見圖7。

3 結 語

此間歇沖控制子程序經反復試沖，完全符合要求，可以任意設定有余數槽數特殊電機沖片產品，都能勝任用戶等分間歇槽沖片沖制工藝要求，工作效率較高，使用簡便，無南非擔心“拉片”現象。

因上述控制系統采用臺達DVP20PM運動控制器，最大輸出控制脈沖頻率為500 kHz，限制控制系統數據分辨率高設置，從而給程序設計、數據傳送等帶來了較大的麻煩，如果是機床改造，應采用一款系統數據分辨率可以設定在電機每旋轉一圈為36 000 000個脈沖控制單元，即每度為100 000個脈沖，設定數據提高了兩個數量級，程序設計將變得非常容易，因為由計算產生的余數可以直接舍去，舍去的兩位數不會影響系統控制精度，這樣控制程序編制將大大簡化，程序維護也將較簡單。上述程序設計方法，可以作為一種在硬件控制系統已經設定、實施后（由于企業考慮產品性價比），發現硬件存在一些不足之處，開發思路，運用軟件程序來進行彌補，使整個控制系統符合設計要求，敢于創新之經驗而借鑒。一臺控制裝置既有邏輯控制功能，又有過程控制功能還有運動控制功能，靈活機動，三電一體集成度高，適用于各種規模的自動化系統，當然，目前的PLC在裝置中一級的三電一體化并不很完善，復雜系統還欠缺一些，運動控制功能還不全面，有待于進一步開發[3]。

參考文獻

[1] 張希川.臺達ES/EX/SS系列PLC應用技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 中達電通公司.DVP?PM應用技術手冊[M].北京：中達電通公司，2011.

[3] 常斗南.PLC運動控制實例及解析（西門子）[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 馬衛忠.PLC在工業領域的應用[J].電子科技，2012（8）：154?156.

[5] 蘇淑芝，劉志維.軟PLC開發系統的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（10）：15?17.

[6] 柴婷婷，李卓偉.西門子PLC在鋁擠壓機控制中的應用[J].現代電子技術，2012，35（5）：189?191.