PLC控製的專用自動攻絲係統設計

摘要：針對某企業(ye) 專(zhuan) 用零件攻絲(si) 生產(chan) 效率低、加工精度差等問題，設計了專(zhuan) 用自動攻絲(si) 係統。該係統主要以西門子200係列PLC為(wei) 主控製器，鬆下A5係列伺服電機為(wei) 執行機構，配套伺服驅動器為(wei) 硬件平台。使用STEP7-Micro/WIN軟件編寫(xie) 指令產(chan) 生高速脈衝(chong) 串實現伺服驅動器的位置控製，最終實現了絲(si) 錐對零件的精確定位加工。係統操作簡單、運行安全穩定，提高了生產(chan) 效率，降低了加工成本。

關(guan) 鍵詞：專(zhuan) 用自動攻絲(si) 係統；PLC；伺服電機；位置控製

0　引言

在自動化生產(chan) 、加工製造過程中，經常需要對加工零配件進行攻絲(si) ，然而傳(chuan) 統的加工設備生產(chan) 效率低，且產(chan) 品攻絲(si) 精度不能保證。目前市場上的自動攻絲(si) 設備價(jia) 格昂貴，操作複雜，為(wei) 滿足快速高精度的加工要求，在運動控製係統中，通常以伺服電機作為(wei) 驅動設備。本文結合PLC抗幹擾能力強、穩定性好等優(you) 點，采用西門子PLC控製伺服電機的旋轉運動並將其轉化為(wei) 絲(si) 錐的直線運動這一思想，設計了專(zhuan) 用自動攻絲(si) 係統。

1　控製係統方案

1.1　自動攻絲(si) 係統主要組成

圖1為(wei) 自動攻絲(si) 係統工作示意圖。本係統主要由操作台控製PLC發送脈衝(chong) 指令來控製伺服驅動器，伺服驅動器把接收到的脈衝(chong) 信號轉化為(wei) 電信號來驅動伺服電機的轉動從(cong) 而控製絲(si) 錐旋轉台上的絲(si) 錐對工件進行攻絲(si) 。根據被控對象和輸入輸出信號的數量、類型及控製要求[2-3]，決(jue) 定采用西門子PLC CPU224XP CN DC\DC\DC作為(wei) 主控製器，考慮到生產(chan) 加工精度要求，選用螺距為(wei) 5 mm的絲(si) 杠，絲(si) 錐規格M5。為(wei) 方便用戶使用，在操作台上分別設置了啟動按鈕和停止按鈕，工作台的零點定位和超程限位由高精度電感式接近開關(guan) 實現，其中A、B處為(wei) 限位開關(guan) ，O處為(wei) 原點檢測開關(guan) 。

  

圖1　自動攻絲(si) 係統工作示意圖

1.2　伺服電機的選取與(yu) 控製方式的選擇

根據電機所需負載扭力、速度、精度等要求，本係統選用鬆下交流伺服電機MSME041G1，配套伺服驅動器MCDHT3120作為(wei) 本係統的動力部分。由於(yu) 位置控製模式是通過外部輸入脈衝(chong) 指令來確定轉動軸轉動速度的快慢與(yu) 轉動的角度，故本係統采用位置控製模式控製伺服電機的啟停、正轉和反轉。

2　控製係統的電路設計

2.1　控製係統原理

圖2為(wei) 控製係統原理圖。PLC按照所編寫(xie) 的程序指令發送脈衝(chong) 信號給伺服驅動器，經過濾波倍頻處理後輸出相應電信號並轉換成電動機軸上的角位移或角速度，通過軸上的聯軸器帶動攻絲(si) 旋轉台上的絲(si) 杠使絲(si) 錐做直線運動，因此隻需要調節輸出的脈衝(chong) 信號就可以間接完成絲(si) 錐移動的速度和距離控製。已知編碼器規格為(wei) 20 bit,電機的額定轉速為(wei) 3 000 r/min，絲(si) 杠通過聯軸器直接與(yu) 伺服電機聯接，傳(chuan) 動比為(wei) 1∶1，其中下限位傳(chuan) 感器所在位置A距離工件底麵C是20 mm，上限位傳(chuan) 感器B所在位置距離原點O是20 mm，絲(si) 錐在原點O距離工件表麵E的垂直高度是100 mm，工件需要攻絲(si) 的尺寸為(wei) 60 mm。結合加工精度與(yu) 生產(chan) 效率考慮，設定位置分辨率ΔM=0.005 mm，則指令分倍頻比 = 。

從(cong) 原點位置O運動到工件表麵位置E所需脈衝(chong) 數 =2.0×104，

從(cong) 工件表麵E位置攻絲(si) 到目標位置C所需脈衝(chong) 數 =1.2×104。

2.2　伺服電機與(yu) 驅動器電路設計

圖3為(wei) 伺服驅動器主要接線圖。圖3中，L1、L2、L3為(wei) 伺服驅動器的主回路電源接線端子，L1C、L2C為(wei) 控製回路電源接線端子，並聯後接入交流220 V電源；U、V、W為(wei) 輸出電機的電源接線端子，PE為(wei) 電機的地線端子，伺服電機編碼器線與(yu) 驅動器X6接口對接；ALM+/ALM-為(wei) 報警信號輸出端子,ALM-接PLC輸入端子I0.2；RDY+/RDY-為(wei) 伺服準備信號輸出端子，RDY-接入PLC輸入端子I0.3；GND為(wei) 信號接地端子，COM+與(yu) 外接24 V直流電源的正極相連，COM-與(yu) 外接24 V直流電源的負極相連；脈衝(chong) 信號端子PULS1/PULS2與(yu) 方向信號端子SING1/SING2為(wei) 位置控製模式下所特有的兩(liang) 路信號端子，PULS1連接PLC的輸出端子Q0.0，SING1連接PLC的輸出端子Q0.2，為(wei) 使輸入電流保持在伺服驅動器允許的範圍內(nei) ，此時各需串聯一個(ge) 2 kΩ的電阻，當方向信號端子接收信號變化時，伺服電機的運轉方向發生改變，具體(ti) 轉動方向與(yu) 所設參數有關(guan) ；S-ON為(wei) 伺服使能信號輸入端子，連接24 V直流電源負極。

  

圖2　控製係統原理圖

  

圖3　伺服驅動器主要接線圖

2.3　I/O地址分配

PLC采用PTO脈衝(chong) 串輸出方式來實現伺服電機的位置控製，根據上述設置的電子齒輪比可知電機每一轉所需的脈衝(chong) 數為(wei) 1 000，如果電機運行在最高速度，

則PLC輸出脈衝(chong) 頻率為(wei) =50 kHz。由於(yu) CPU224XPCN晶體(ti) 管輸出最高頻率達100 kHz，故選用CPU224XP CN DC/DC/DC可以滿足上述要求。此型號CPU配置有兩(liang) 個(ge) 內(nei) 置脈衝(chong) 發生器端口Q0.0和Q0.1，以Q0.0作為(wei) 伺服驅動器的脈衝(chong) 輸入端子，根據分析得到的PLC I/O分配如表1所示。

表1　PLC的I/O分配

 

地址功能地址功能I0.0急停按鈕I0.6絲(si) 錐原點位置O信號I0.1啟動按鈕Q0.0脈衝(chong) 信號I0.2伺服驅動器報警Q0.2方向信號I0.3伺服電機準備Q0.3絲(si) 錐正向旋轉I0.4工作台下限位Q0.4絲(si) 錐反向旋轉I0.5工作台上限位

3　係統軟件設計

3.1　伺服驅動器主要參數設置

伺服驅動器主要參數設置見表2。其中，Pr0.00設為(wei) 0，正向指令時，從(cong) 軸側(ce) 看電機為(wei) 順時針方向旋轉，負向指令時，從(cong) 軸側(ce) 看電機為(wei) 逆時針方向旋轉；參數Pr0.01為(wei) 控製模式選擇，設置0為(wei) 位置控製模式；Pr0.05為(wei) 指令脈衝(chong) 輸入模式選擇功能代碼，設置0為(wei) 光電耦合器輸入；Pr0.06為(wei) 指令脈衝(chong) 極性設置功能代碼，Pr0.07為(wei) 指令脈衝(chong) 輸入模式選擇功能代碼，兩(liang) 指令須配合使用，本控製係統采用脈衝(chong) 序列+符號脈衝(chong) 串輸出形式，設定Pr0.06=0,Pr0.07=3；Pr0.09與(yu) Pr0.10分別為(wei) 指令分倍頻的分子與(yu) 分母參數設置功能代碼，由於(yu) 指令分倍頻比D=1 048 576/1 000,設置Pr0.09=1 048 576,Pr0.10=1 000。

表2　伺服驅動器主要參數設置

 

參數代碼參數名稱設定範圍設定值Pr0.00旋轉方向設定0～10Pr0.01控製模式設定0～60Pr0.05指令脈衝(chong) 輸入選擇0～10Pr0.06指令脈衝(chong) 極性設置0～10Pr0.07指令脈衝(chong) 輸入模式設置0～33Pr0.09指令分倍頻分子0～2301048576Pr0.10指令分倍頻分母1～2301000

3.2　控製過程分析

圖4為(wei) PLC控製係統流程。上電按下啟動按鈕，PLC首先會(hui) 進行程序初始化，檢測無異常報警後，若絲(si) 錐沒有回到原點位置O，則啟動回參考點子程序進行回原點操作，確認絲(si) 錐回到原點位置O後，絲(si) 錐開始轉動，調用絲(si) 錐進刀加工子程序，PLC發出脈衝(chong) 信號，絲(si) 錐從(cong) 原點位置O經過先加速後恒速再減速到達工件表麵E位置，再恒速進給到目標位置C，停止進刀1 s後，調用絲(si) 錐退刀子程序，絲(si) 錐與(yu) 伺服電機反方向恒速退回到工件表麵E位置，經過先加速後恒速再減速退回到原點O位置後，係統停機，等待下次啟動。此時完成了一個(ge) 工作循環，每點動一次啟動按鈕完成一個(ge) 零件的加工，如此反複循環完成對批量零件的攻絲(si) 。

  

圖4　PLC控製係統流程

3.3　程序設計

PLC通過高速脈衝(chong) 發生端口Q0.0輸出的脈衝(chong) 頻率來控製伺服電機軸轉動快慢，由輸出脈衝(chong) 的個(ge) 數來控製伺服電機轉動的角度，經過對係統工作流程進行分析，根據產(chan) 品加工生產(chan) 效率與(yu) 質量要求，采用模塊化編程設計思想，將自動攻絲(si) 係統程序分為(wei) 主程序加3個(ge) 子程序和3個(ge) 中斷程序，程序結構如圖5所示。

  

圖5　程序結構

4　結束語

通過分析專(zhuan) 用零件攻絲(si) 過程與(yu) 產(chan) 品加工要求，利用西門子PLC與(yu) 鬆下伺服電機相結合，采用伺服電機位置控製模式，設計了專(zhuan) 用自動攻絲(si) 係統，係統自動化程度高，提高了生產(chan) 效率;合理利用主機自帶的兩(liang) 路高速脈衝(chong) 輸出端口控製伺服電機的運動，節約了成本。其應用還可以擴展到類似的兩(liang) 台伺服電機或步進電機控製的加工設備中，對類似的運動控製方式具有一定的參考借鑒價(jia) 值。

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文章編號：1672-6413(2016)04-0149-02

收稿日期：2015-12-04；

修訂日期：2016-05-19

作者簡介：楊俠(xia) (1978-)，男，湖北安陸人，教授，博士，碩士生導師，主要從(cong) 事石油機械、化工機械、電氣自動化方麵的研究。

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

Design of Special Automatic Tapping System Based on PLC

YANG Xia, LI Shu-peng, XIAO Ang, GUO Zhao

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073,China)

Abstract： A special automatic tapping system is designed to improve production efficiency and machining precision of the special tapping parts by cooperating with the enterprise. The system is mainly comprised of Siemens 200 series PLC that is the main controller, Panasonic A5 series servo motor as the actuator, matching servo drive as hardware platform. By using STEP7-Micro/WIN software to write instructions to generate high-speed pulse sequence, the position control of AC servo driver is achieved, it has finally achieved the precise positioning fabrication of the parts. The system operation is simple, safe and stable, which improves the production efficiency and reduces the manufacturing cost. It will has a good application foreground in the aspect of special components bath tapping, and the control method has certain reference value for similar automation production equipment.

Key words： special automatic tapping system; PLC; position control

*國家自然科學基金資助項目(51276131)