基于三菱L-PLC的電子槽輪實驗臺設計

朱新杰, 王慶九, 顧大強, 詹建潮

(浙江大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310027)

傳統機械領域迫切需要與最新的工業控制技術相融合,以滿足“中國制造2025”戰略的需求。高等學校的機械類課程也要盡早引入相關內容的實驗教學以適應工業變革帶來的對人才的新要求[1-5]。浙江大學機械工程實驗教學中心在這方面進行了諸多有益的探索,實驗設備的改進與創新就是非常典型的一個方面。

1 槽輪機構

槽輪機構又稱為馬爾他機構,如圖1所示，它由具有徑向槽的槽輪、帶有圓銷的撥盤和機架組成。撥盤作勻速轉動時,驅使槽輪作時轉時停的間歇運動。撥盤上的圓銷尚未進入槽輪的徑向槽時,由于槽輪的內凹鎖住弧β被撥盤的外凸圓弧α卡住,故槽輪靜止不動。圖中所示位置是當圓銷開始進入槽輪的徑向槽時的情況。這時鎖住弧被松開,因此槽輪受圓銷驅使沿逆時針轉動。當圓銷開始脫出槽輪的徑向槽時,槽輪的另一內凹鎖住弧又被撥盤的外凸圓弧卡住 ,致使槽輪又靜止不動,直到圓銷再進入槽輪的另一徑向槽時,兩者又重復上述的運動循環。槽輪機構簡單、機械效率高,并且運動平穩,因此在自動機床轉位機構、電影放映機卷片機構等自動機械中得到廣泛的應用[6-8]。

圖1 槽輪機構運動簡圖

L系列PLC是三菱電機近幾年推出的可編程控制器產品,具有結構精巧,性能強大的特點,其模塊化的結構非常適合于快速搭建簡單的運動控制系統[9]。電子槽輪實驗臺同時設計有機械式的槽輪傳動系統與虛擬的電子槽輪輸出系統,可進行獨立實驗和對比實驗。

2 整體方案設計

實驗臺采用一體式設計,電氣控制部分與機械輸出部分共置于實驗箱中,系統組成如圖2所示。PLC為系統的控制中心,上連觸摸屏實時顯示當前數據與狀態、讀取設定參數與運行指令,下接運動控制模塊輸出運動指令、讀取定位狀態。

圖2 電子槽輪實驗臺的組成

將機械式槽輪機構與電子槽輪輸出機構組合到一起可進行對比實驗,分別用兩只伺服電機進行驅動。1號伺服電機用于連接機械式槽輪機構的撥盤,再由撥盤帶動槽輪轉動；2號伺服電機由電子槽輪的輸出直接帶動一塊安裝于機械式槽輪之上的指示盤轉動,如圖3所示。

圖3 機械式槽輪與電子槽輪指示盤的位置

系統設計有演示程序,先是機械式槽輪與電子槽輪指示盤各獨立運轉3周,表明兩者無機械結構上的關聯,再以各種不同的速度同步轉動,展示在運動控制模塊驅動下的電子槽輪的運動特性。

3 控制系統設計

3.1 人機界面

三菱GT1055觸摸屏為實驗臺的人機界面提供了系統數據與狀態的實時監視與設定功能[10]。設計有一個開機界面與“自動運行”“手動運行”“原點設定”等3個功能界面,如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面

3.2 運動控制系統

運動控制系統使用了模塊化結構的三菱L系列控制器,包括一只L61P電源模塊、一只L02SCPU模塊和一只LD77MH16簡單運動控制模塊。其中：(1)L61P電源模塊可接220 V輸入,能提供5 V 5 A的輸出電源；(2)L02SCPU是三菱高性能L系列PLC中的一員,該款PLC具有80 k步程序容量，能擴展1024點輸入輸出點，基本指令處理時間可高達40 ns/條[11]；(3)LD77MH16簡單運動控制模塊是三菱公司推出的一種高速定位控制單元,其定位啟動時間最短可達到0.8 ms,模塊不僅配備了諸如原點復位控制、定位控制及手動控制等基本功能,還增加了許多附加措施以提高控制的可靠性與安全性,通過控制方式、定位地址及指令速度等的數據組合,每個軸最多可以設置600組定位數據[12]。

3.3 控制器數據單元的分配

系統自定義的輔助繼電器(M)如表1所示。其中n值為3～5，分別代表機械式槽輪撥盤軸、電子槽輪指示盤軸與虛擬軸。各軸的狀態數據是通過讀取運動控制模塊的相應數據單元(G2417+100n)而得到的。在PLC程序中CPU周期性地讀取各軸狀態至M繼電器數組,以達到實時監控的目的。

表1 輔助繼電器(M)數據分配

系統自定義的字數據存儲單元如表2所示。在PLC編程軟件GX Works2中,將位于D3000-D3999段數據進行了鎖存設置,使得在PLC掉電的情況下,該區域數據也能被保存。

表2 PLC字存儲單元(D)數據分配

3.4 系統控制流程

系統主要功能模塊即觸摸屏、PLC與運動控制模塊分別用于處理人機對話、程序流程與伺服定位,在運行過程中通過不同的方式共享數據、交換信息。PLC掌控整個程序流程,其程序主體結構主要包括 “LD77MH16 Servo參數設定”“Servo狀態顯示”“Servo JOG控制”“Servo OPR操作”“Servo 自動運行控制”及“意外錯誤處理”等多個程序段。

3.5 運動控制模塊的設定

LD77MH16簡單運動控制模塊最多能連接16根輸出軸。本實驗臺中設計了3軸輸出(軸4、軸5和軸6),如圖5所示。其中軸4與軸5分別對應著機械式槽輪撥盤軸和電子槽輪指示盤軸,軸6為虛擬軸,用于在連續運轉時,作為軸4軸5的軸入軸以達到同步的效果。

程序中用到的部分運動控制模塊內部參數如表3所示。

表3 運動控制器內部相關參數

圖5 運動控制模塊與伺服驅動器連接圖

3.6 伺服放大器與伺服電機

MR-J4W2-44B伺服放大器以光纖的形式通過高速同步網絡與運動控制器連接,利用指令模塊的數據執行伺服電機的轉速和方向控制,以及進行高精度定位。該款伺服放大器的最大特點是集成了兩軸控制模式,節約了模塊成本與安裝空間。所采用的SSCNETⅢ光通信系統大大提高了通信速度并減小了噪聲誤差,其速度頻率響應達到2.5 kHz[13]。與伺服放大器相連接的HG-KR43J伺服電機安裝了具有4194304Pls/Rev的絕對式編碼器,能實現精確的控制[14]。伺服放大器的預置參數如圖6所示。

圖6 伺服放大器參數設置

4 實驗臺機械部分

實驗臺配備了多套具有不同外形尺寸與結構參數的機械槽輪傳動裝置。撥盤為主動件,其上安裝有一個圓銷與一塊鎖止弧,圖7所示的一種撥盤圓銷數K=1,圓銷中心回轉半徑R=22.5 mm。

圖7 機械式槽輪的撥盤結構

圖8所示的是實驗臺的一只外槽輪,具有6個齒槽,槽頂高H=39 mm,槽底高h=16.5 mm。槽輪上方有機玻璃蓋板為電子槽輪的指示盤,在指示盤上做有標記,用于觀察在進行機械式槽輪與電子槽輪對比實驗時的位置同步情況。

圖8 機械式槽輪盤與電子槽輪指示盤

5 運動曲線的設定

在GX Works2 中可以分別為軸4和軸5設定規律性的運動軌跡。撥盤以設定的速度連續轉動,因此其輸出軸的軌跡參數可直接設置為直線往復式(廓線號為0),如圖9所示。電子槽輪軸的運動軌跡則可根據要求而設計,圖10顯示的是6個齒槽的槽輪的運動軌跡,間歇運動的相鄰2個靜止段采用了正弦曲線作為過渡。GX Works2軟件里提供了勻速、恒加速度、5次Bezier、單弦、擺線、變形梯形、變形正弦、變形勻速、梯弦形、反梯弦形、雙弦與反雙弦等多種曲線類型供用戶選擇,如圖11所示。設置參數與廓線數據需下載至運動控制模塊中保存以供伺服系統調用。

圖9 撥盤轉軸運動軌跡

圖10 電子槽輪運動軌跡

圖11 GX Works2中可用的凸輪曲線類型

6 結語

實驗臺集成了機械式槽輪與電子槽輪,經對比可以發現,基于伺服運動控制技術的電子槽輪系統結構簡單,可通過在軟件中更換運動曲線的方式快速調整運動規律,方便快捷且控制精度高,具有傳統槽輪機構無可比擬的優勢。學生通過實驗,不僅進一步掌握槽輪的結構性能與運動規律,同時也初步了解了以PLC為核心的工控系統的組成要素與控制方法,能培養創新性思維,舉一反三,探索傳統機械結構與最新工控技術的結合點,為日后從事機械行業打下更為全面的、扎實的基礎。