PLC在二維磨削力控制砂帶磨削機床中的應(yīng)用

李成群，劉啟站，李建功

LI Cheng-qun，LIU Qi-zhan，LI Jian-gong

（河北聯(lián)合大學(xué) ，唐山 063009）

0 引言

目前，國內(nèi)外復(fù)雜幾何形狀工件（高檔水龍頭、航空葉片、汽輪機葉片等）的磨削加工方法有普通磨床的人工磨削、專用磨削機床和數(shù)控磨削機床。普通磨床的人工磨削費時且勞動強度大，加工成品率低；專用磨削機床通用性差，適合批量生產(chǎn)；數(shù)控磨削機床成本高、編程復(fù)雜。近年來，機器人磨削加工技術(shù)引起人們的關(guān)注，與數(shù)控機床相比，具有柔性好、智能化、精度高等優(yōu)點[1]。

機器人磨削系統(tǒng)使用機器人離線編程技術(shù)，集標(biāo)定、生產(chǎn)、檢測于一體，工件的磨削效率高，表面質(zhì)量好，可自動裝卡工件，適用于工件的自動化流水線的磨削加工[2]。

本文介紹的二維磨削力控制砂帶磨削機床是機器人磨削系統(tǒng)的重要組成部分。其控制部分不僅關(guān)系到二維磨削力控制砂帶磨削機床的可操作性能和工件的加工質(zhì)量，而且也影響機器人對磨削機床的控制及機器人磨削系統(tǒng)的可靠性。

1 二維磨削力控制砂帶磨削機床的組成及工作原理

二維磨削力控制砂帶磨削機床由上、下兩個砂帶磨削機床組件組成，如圖1所示。

上、下兩砂帶磨削機床組件均采用平行四邊形機構(gòu)。當(dāng)機器人抓持工件在砂帶磨削機床上磨削加工時，同一時刻只在一個磨削機床組件上磨削加工。

圖1 二維磨削力機器人砂帶磨削機裝配圖

下砂帶磨削機床組件只有一個大的磨削輪，適用于大曲率曲面或平面的磨削加工，采用一維磨削力控制技術(shù)，且該機構(gòu)與上砂帶磨削機床組件共用一個比例閥與伺服氣缸來控制上、下砂帶磨削機床組件的水平力控制。當(dāng)接觸力大于設(shè)定值時，下砂帶磨削機床組件橫梁拉動彈簧后退，使作用于伺服氣缸上的力增大，比例閥開始調(diào)整進行排氣，使伺服氣缸內(nèi)壓力維持在設(shè)定值。

上砂帶磨削機床組件含有轉(zhuǎn)位鎖緊機構(gòu)，轉(zhuǎn)位鎖緊機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)臂上安裝兩個小磨削輪，適用于小曲率曲面的磨削加工，采用二維磨削力控制技術(shù)，磨削力大小分別由兩個比例閥控制兩個伺服氣缸來調(diào)節(jié)。當(dāng)磨削力大于設(shè)定值時，水平力的控制與下砂帶磨削機床組件磨削力控制原理相同；在垂直方向上，滑塊帶動伺服氣缸運動，氣缸內(nèi)壓力發(fā)生變化，比例閥開始調(diào)整進氣或排氣，使伺服氣缸內(nèi)壓力維持在設(shè)定值，從而可控制平面內(nèi)任意方向磨削力的大小。

2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置及其功能

以三菱FX系列PLC為核心的控制系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。整個控制系統(tǒng)包括：

圖2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

PLC控制器及擴展模塊（A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器）、氣動控制、機器人控制器、人機交互器、伺服電機控制系統(tǒng)、變頻電機控制系統(tǒng)等。

2.1 PLC控制器及擴展模塊

1）PLC控制器：對整套工藝系統(tǒng)分析，進行I/O分配，需要輸入點數(shù)為12，輸出點數(shù)為11，PLC型號可選用FX2N-32MT-001，其輸入點數(shù)與輸出點數(shù)均為16，且有串行通訊模塊和功能擴展模塊，使用特殊功能模塊或功能擴展模塊，可實現(xiàn)模擬量控制、位置控制和聯(lián)網(wǎng)通訊控制[4]。

2）A/D轉(zhuǎn)換器：在自動張緊裝置中，低摩擦氣缸的壓力值經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡蟊仨毻ㄟ^A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量才能被PLC處理。其型號為FX2N-2AD，有2個輸入通道，每一通道都可進行A/D轉(zhuǎn)換，其分辨率為12位。

3）D/A轉(zhuǎn)換器：在接觸力補償系統(tǒng)中，PLC需將設(shè)定氣壓值經(jīng)D /A轉(zhuǎn)換后才能傳送給比例閥進行氣壓調(diào)節(jié)。變頻電機控制系統(tǒng)中，將控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的電壓信號傳輸給變頻器，通過模擬量控制不但可以提高加工精度，而且節(jié)約I/O點數(shù)。其型號為FX2N-4DA，有4個輸出通道，每一通道都可進D/A轉(zhuǎn)換，其分辨率為12位。

2.2 氣動控制

氣動控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示，氣源經(jīng)過氣源三聯(lián)件后，分為三路：

圖3 氣動控制系統(tǒng)原理圖

一路經(jīng)二位三通電磁閥、減壓閥、壓力傳感器，最后到張緊氣缸。該回路用于氣動張緊，張緊力通過減壓閥來調(diào)節(jié)。一般在0.2～0.4 MPa。壓力傳感器檢測張緊氣缸內(nèi)的壓力，并將壓力值傳送給PLC，如果張緊氣壓小于0.2MPa，PLC禁止系統(tǒng)進行磨削加工作業(yè)，防止危險事故發(fā)生。

另兩路經(jīng)過25μm過濾器、比例壓力閥、二位五通電磁閥，最后分別到達水平接觸力補償氣缸和垂直接觸力補償氣缸。該回路用于磨削時接觸力補償，其工作原理：用機器人控制器或人機交互器設(shè)定比例閥工作的氣壓，PLC將該氣壓值經(jīng)D /A轉(zhuǎn)換后傳送給比例閥。在磨削加工過程中，當(dāng)接觸力波動時，比例閥會自動將氣壓維持在上述設(shè)定值，抵消接觸力波動對氣壓的影響。

2.3 機器人控制器

機器人控制器選用“ABB IRB M2000”系列機器人。在PLC與機器人通訊中，根據(jù)磨削工藝要求、機器人姿態(tài)對砂帶磨削機床接觸輪位置的要求以及對磨削力的要求等,通過機器人控制器與砂帶磨削機床控制器的通訊,可在線改變磨削機床的磨削參數(shù)、接觸方式、磨削力大小以及更換不同輪徑的接觸輪等,以完成對不同形狀曲面工件的磨削加工[1]。

2.4 人機交互器

本系統(tǒng)人機交互器采用觸摸屏控制，其型號為F940WGOT-TWO-C，它可在觸摸屏上直接對PLC進行監(jiān)控及編程。觸摸屏界面由觸摸屏組態(tài)軟件進行設(shè)計、編譯，然后通過RS232編程電纜下載到觸摸屏即可使用。用觸摸屏作為人機交互器，既可以簡化、方便作業(yè)管理，又可以監(jiān)控和報警，在觸摸屏上顯示系統(tǒng)運行狀況，通過觸摸屏還可以在線進行轉(zhuǎn)位控制、調(diào)整速度、氣壓等加工工藝參數(shù)。

2.5 伺服電機控制系統(tǒng)

PLC控制器、伺服驅(qū)動器、伺服電機等組成伺服控制系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)位鎖緊機構(gòu)的運轉(zhuǎn)進行換位。伺服電機在驅(qū)動器的驅(qū)動下，通過減速器驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)接觸輪旋轉(zhuǎn)換位，目標(biāo)位置由光電編碼器的反饋信號反饋給PLC控制器，在PLC控制器的控制下保證旋轉(zhuǎn)的精度，機構(gòu)旋轉(zhuǎn)時有編碼器進行位置反饋，定位準(zhǔn)確，為系統(tǒng)離線編程提供了方便，避免了頻繁換輪和重新標(biāo)定，節(jié)省了加工時間。其硬件配置如下：

1）伺服驅(qū)動器：伺服驅(qū)動器選取型號為MRJ2S-100A，分辨率為131072脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，具有位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式、位置/速度控制切換模式、速度/轉(zhuǎn)矩控制切換模式、轉(zhuǎn)矩/位置控制切換模式多種控制方式。

2）伺服電機：伺服電機選取型號為HCSFS81，額定功率為0.85KW，滿載轉(zhuǎn)速為1000r/min。

2.6 變頻電機控制系統(tǒng)

使用D/A轉(zhuǎn)換功能，將PLC中12位的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成0～10V電壓信號，變頻器的輸出頻率在這個電壓信號的控制下調(diào)節(jié)變頻電機的轉(zhuǎn)速，從而改變砂帶的速度。

1）變頻器：變頻器是實現(xiàn)交流電機調(diào)

速的關(guān)鍵元器件，它是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷功能將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。選用FR-A540-3.7K-CH，適用于輸出功率3.7KW以下的變頻電機，滿足工程要求。

2）變頻電機：選取型號為Y90L-2，其額定功率為2.2KW，滿載轉(zhuǎn)速為2840r/min。

3 控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。但對于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境過于惡劣、電磁干擾特別強烈、突然斷電等情況發(fā)生時，經(jīng)常造成PLC接受錯誤信號，產(chǎn)生誤動作，或使PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重時甚至?xí)瓜到y(tǒng)失控。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)采取相應(yīng)的可靠性措施，以消除或減小抗干擾的影響，保證系統(tǒng)的正常運行[3]。

1）接地保護設(shè)計：接地是抑制干擾、使系統(tǒng)可靠工作的主要方式。PLC一般應(yīng)與其他設(shè)備分別采用各自獨立的接地裝置，若有其他因素影響而無法做到，也可以采用公共接地方式，但要禁止使用串聯(lián)接地的方式或把接地端子接到一個建筑物的大型金屬框架上，此種接地方式會在設(shè)備間產(chǎn)生電位差，對PLC產(chǎn)生不利影響；電纜屏蔽層必須一點接地，如果電纜屏蔽層兩端都接地，就存在地電位差，有電流流過屏蔽層，產(chǎn)生干擾。

2）供電系統(tǒng)設(shè)計：PLC供電系統(tǒng)中可采用隔離變壓器、UPS電源、雙路供電等保護措施。

3）冗余設(shè)計：冗余設(shè)計的目的是PLC已可靠工作的基礎(chǔ)上，再進一步提高其可靠性，減少出故障的幾率和故障后的修復(fù)時間。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

二維磨削力控制砂帶磨削機床的軟件設(shè)計包括PLC軟件設(shè)計和觸摸屏軟件設(shè)計。

4.1 PLC軟件設(shè)計

由于砂帶磨削系統(tǒng)上砂帶磨削機床組件接觸輪直徑相對較小，主要應(yīng)用于大曲率曲面工件的磨削，在軟件設(shè)計時稱為小輪單元；而下砂帶磨削機床組件接觸輪直徑比較大，主要應(yīng)用于平面、小曲率曲面工件的磨削，在軟件設(shè)計時稱為大輪單元。

圖4 PLC控制軟件系統(tǒng)邏輯流程圖

軟件系統(tǒng)總體可分為響應(yīng)面板操作子程序、機器人通信子程序、HMI人機交互子程序三大模塊。響應(yīng)面板操作子程序包括大輪工作子程序、大輪停止子程序、小輪工作子程序與小輪停止子程序。機器人通信子程序、HMI人機交互子程序主要應(yīng)用于系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，如電機速度、接觸輪位置、接觸力氣缸壓力值等。在軟件設(shè)計時需調(diào)用電機速度調(diào)整子程序、接觸輪位置調(diào)整子程序、接觸力補償調(diào)整子程序。根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程與系統(tǒng)的控制要求，可得PLC控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

4.2 觸摸屏軟件設(shè)計

根據(jù)二維磨削力控制砂帶磨削機床的控制和操作要求，設(shè)計了主界面、參數(shù)設(shè)置界面、信號監(jiān)控界面、參數(shù)顯示界面等。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)討論了三菱FX系列PLC用于一維磨削力控制與二維磨削力控制相結(jié)合的砂帶磨削機床的組成、工作原理、控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計。系統(tǒng)將機器人重復(fù)定位精度高的特點和PLC出色的邏輯控制功能融合為一體，提高了磨削加工精度。實踐證明，該系統(tǒng)操作方便，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高。

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