旋轉(zhuǎn)編碼器在位置控制中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘 要：以提高錕壓成型機(jī)切料長(zhǎng)度的精度為改造目標(biāo)。文章首先簡(jiǎn)介旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理和特點(diǎn)，然后闡述以PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器和變頻器構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)，并詳細(xì)描述設(shè)計(jì)過(guò)程的位置計(jì)算、遇到的問(wèn)題及改造的成效。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器；PLC；變頻器；成型機(jī)；位置控制

前言

改造之前的老式成型機(jī)利用接近開關(guān)來(lái)獲得鋼板的位置信息，通過(guò)調(diào)節(jié)接近開關(guān)的位置來(lái)預(yù)計(jì)電機(jī)和鋼板的運(yùn)動(dòng)慣量，鋼板在設(shè)定值停止的位置控制精度低，而且起動(dòng)和剎車時(shí)的機(jī)械沖擊大，經(jīng)常出現(xiàn)故障。

針對(duì)上述問(wèn)題，我在這次改造中使用新的位置控制方式，利用旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC、變頻器等部件，目標(biāo)是使位置控制的精度提高，使產(chǎn)品的長(zhǎng)度誤差在正負(fù)1mm以內(nèi)。在自動(dòng)模式下加工全程由程序控制，以雙速運(yùn)行使中間過(guò)程加快，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)成型機(jī)的牽引軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)使整個(gè)錕壓過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)機(jī)械沖擊。

1 錕壓成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

1.1 錕壓成型機(jī)主要由機(jī)架、錕輪機(jī)傳動(dòng)裝置、放卷及切斷裝置組成

被壓制材料通常是1.0mm～2.0mm厚鍍鋅帶狀鋼板。主機(jī)的傳動(dòng)是通過(guò)鏈條實(shí)現(xiàn)的，先由牽引電機(jī)經(jīng)減速機(jī)傳給主動(dòng)壓錕，再由主動(dòng)壓錕用鏈條帶動(dòng)其他多道壓錕。上下各有壓錕。壓錕是由模具和轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成，壓錕帶動(dòng)鋼帶前進(jìn)。前進(jìn)方向上各軸的模具是按逐漸加深的順序來(lái)安裝的，所以鋼帶在模具間走過(guò)就逐漸被壓制成設(shè)計(jì)要求的形狀。錕壓成型機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 液壓切斷裝置

液壓切斷部分由剪切刀架體和模具組成。該裝置采用落料切斷，以油缸液壓推動(dòng)切刀起落。切斷后型材產(chǎn)品直接落至托料架。

1.3 液壓站

主要用于向生產(chǎn)線剪切裝置提供壓力油，液壓站放置在剪切裝置旁的非操作側(cè)。

2 旋轉(zhuǎn)編碼器簡(jiǎn)介

2.1 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理

光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將軸的角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。把它裝在轉(zhuǎn)軸上可以被用作速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件。旋轉(zhuǎn)編碼器主要參數(shù)是分辨率，編碼器的光電碼盤在360度范圍有的通或暗刻線的數(shù)量稱為分辨率，或直接稱多少線。它通過(guò)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)反映出來(lái)。

2.2 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn)

增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無(wú)限累加和測(cè)量。本案是用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)鋼帶的相對(duì)位移，根據(jù)編碼器的特點(diǎn)，選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。

3 旋轉(zhuǎn)編碼器在位置控制中的應(yīng)用

3.1 位置控制系統(tǒng)的構(gòu)成

位置控制方框圖如圖2所示，它主要由PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器、觸摸屏、變頻電動(dòng)機(jī)組成。以下著重介紹前面三個(gè)主要組件。

3.1.1 PLC。PLC采用三菱的FX1S-20MR，它作為控制系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)接收旋轉(zhuǎn)編碼器送來(lái)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器C235進(jìn)行計(jì)數(shù)和運(yùn)算，按程序設(shè)定輸出控制信號(hào)到變頻器及電磁閥等執(zhí)行器件，使機(jī)器按程序進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。其中傳感器用旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)鋼帶的位移監(jiān)測(cè)。

3.1.2 變頻器。（1）使用變頻器調(diào)速的原因：雖然伺服系統(tǒng)有精確、快速定位的優(yōu)點(diǎn)，大功率的伺服驅(qū)動(dòng)器配伺服電機(jī)價(jià)錢也太高，故嘗試使用變頻器?，F(xiàn)在本設(shè)計(jì)用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)位移后將信息送到PLC按程序雙速運(yùn)行，避免高速停車，并通過(guò)精確的實(shí)時(shí)位置測(cè)算達(dá)到準(zhǔn)確停車的效果。（2）在變頻器的控制端口DI1、DI2、DI3、COM輸入由PLC輸出正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、低速的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)指令。變頻器自帶的制動(dòng)單元配合外置的制動(dòng)電阻作能耗制動(dòng)。（3）觸摸屏作為PLC的輸入和顯示數(shù)據(jù)裝置，使用觸摸屏的RS-422接口與PLC連接，在觸摸屏設(shè)定產(chǎn)品的數(shù)據(jù)并顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和數(shù)值。

3.2 位移測(cè)量與計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與位移成正比的脈沖，將其輸入PLC的X0高速計(jì)數(shù)器端口，構(gòu)成位置反饋，累加脈沖數(shù)反映鋼帶位置，觸摸屏顯示經(jīng)過(guò)程序換算的數(shù)值反映電機(jī)拖動(dòng)機(jī)械實(shí)際行走的位移。程序中用單相單計(jì)數(shù)的高速計(jì)數(shù)器C235，32位增/減計(jì)數(shù)，機(jī)器默認(rèn)為增計(jì)數(shù)。

位移L=SI （1）

式中：S-脈沖當(dāng)量；I-累計(jì)脈沖數(shù)

注：旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在位移測(cè)量輪的軸上

以測(cè)量輪轉(zhuǎn)一圈計(jì)算，位移等于測(cè)量輪的周長(zhǎng)C，累計(jì)脈沖數(shù)I等于每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，即編碼器的分辨率，歐姆龍編碼器E6B2的分辨率：I=1000P/r，測(cè)量輪的直徑D=95.5mm，所以L=C=πD，又根據(jù)式（1）得：

S=L/I（2）

將實(shí)際數(shù)值代入式（2）：

每一圈的位移L=πd=3.1416×95.5=300.02（mm）

脈沖當(dāng)量S=L/I=300.02/1000≈0.3（mm/P）

如圖3所示鋼帶位移計(jì)算的過(guò)程。設(shè)每個(gè)產(chǎn)品的加工周期所走過(guò)的總位移是L總，刀與測(cè)距光纖間的距離是L光纖距，產(chǎn)品上最末的孔到產(chǎn)品末端的距離L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，長(zhǎng)度校正L校。

L總=L光纖距+L尾孔距+L刀厚+L校

根據(jù)式（1）可得累計(jì)脈沖數(shù)I=L/S

將位移轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)，用比較指令把C235的累計(jì)數(shù)與設(shè)定值對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)比較，取得機(jī)器動(dòng)作所需精確的位置點(diǎn)。設(shè)定了低速長(zhǎng)度L低就可以得：

主速度位移是L總-L低。

當(dāng)鋼帶走完主速度位移，由PLC發(fā)出轉(zhuǎn)入低速信號(hào)，使變頻器的頻率下降至3.5Hz，鋼帶以低速前進(jìn)。

圖3中各段間距以Dxxx表示，是PLC程序里的數(shù)據(jù)寄存器，例如D192（低速長(zhǎng)度）可以在觸摸屏上直接修改設(shè)置數(shù)值。

3.3 實(shí)際需要解決的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

（1）高速計(jì)數(shù)器的溢出問(wèn)題：PLC程序的32位增/減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)范圍-214783648～+214783647，若超過(guò)范圍進(jìn)行計(jì)數(shù)，高速計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出。為解決這一問(wèn)題，程序設(shè)置在產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出前C235復(fù)位，即每次切完產(chǎn)品后進(jìn)行一次C235和長(zhǎng)度數(shù)據(jù)寄存器復(fù)位，因?yàn)槲覀儾恍枰礓搸У拈L(zhǎng)度，只需分段計(jì)每節(jié)產(chǎn)品的長(zhǎng)度。

（2）高速計(jì)數(shù)器輸入信號(hào)頻率限制問(wèn)題：C235的輸入脈沖頻率有限制，其中X0的最高頻率為10kHz。鋼帶前進(jìn)最高速度約V= 0.1m/s，脈沖當(dāng)量是0.3mm/P，測(cè)量輪周長(zhǎng)C=300.02mm。

轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間T=C/V=0.3/0.1=3s，即轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)1000P所用時(shí)間3s。

實(shí)際使用的脈沖頻率的最大值fmax=1000/3≈333（Hz）

故實(shí)際使用的脈沖頻率遠(yuǎn)小于X0的最高頻率10kHz上限值。

（3）傳動(dòng)鏈條的間隙補(bǔ)償問(wèn)題：由于這種位移測(cè)量屬于開環(huán)測(cè)量，因此必須解決傳動(dòng)鏈條的間隙補(bǔ)償問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，可在程序中高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值累加一個(gè)間隙補(bǔ)償量，即觸摸屏顯示的長(zhǎng)度校正，這補(bǔ)償量的大小根據(jù)多次調(diào)試來(lái)定。

4 改造的成效分析

改造后機(jī)器比之前有以下效果：（1）產(chǎn)品長(zhǎng)度的合格率提高主

要靠測(cè)量的精度提高，這次改造所用的旋轉(zhuǎn)編碼器位移測(cè)量裝置每個(gè)脈沖的位移僅0.3mm。雖然這測(cè)量系統(tǒng)屬于開環(huán)系統(tǒng)，其精度取決于位移的給定精度，而用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)測(cè)量位移正好能夠低成本地提高系統(tǒng)的給定精度。其次用程序控制變頻器進(jìn)行雙速度切換，接近停車時(shí)以低速運(yùn)行，鋼帶運(yùn)行到預(yù)設(shè)的位移后，PLC的C235計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖累加達(dá)到主速度預(yù)設(shè)值，PLC發(fā)出換速指令送到變頻器，鋼帶降速，以低速行到停止位，這樣停車的位置更準(zhǔn)確。停的位置準(zhǔn)，落刀切出來(lái)的產(chǎn)品長(zhǎng)度也就精確。計(jì)數(shù)脈沖累加達(dá)到刀與末端距離的預(yù)設(shè)值PLC指令低速結(jié)束變頻器瞬間制動(dòng)，與此同時(shí)切斷裝置的電磁閥開關(guān)動(dòng)作，使油缸推動(dòng)切刀落下，完成一次加工。（2）操作便捷，機(jī)器的自動(dòng)化程度提高。加工參數(shù)可在觸摸屏上輸入，長(zhǎng)度、加工件數(shù)可以不斷跳變顯示。（3）用程序控制變頻器運(yùn)行頻率，由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以使啟動(dòng)和停止無(wú)機(jī)械沖擊，而中間過(guò)程的主速度可以加快，這是雙速運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。解決了加工速度和產(chǎn)品精度的矛盾。

參考文獻(xiàn)

[1]盧寧，張晉宏.一種用PLC和旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量位移的方法[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（4）.