基于三菱L-PLC的電子槽輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

朱新杰, 王慶九, 顧大強(qiáng), 詹建潮

(浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027)

傳統(tǒng)機(jī)械領(lǐng)域迫切需要與最新的工業(yè)控制技術(shù)相融合,以滿足“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的需求。高等學(xué)校的機(jī)械類課程也要盡早引入相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)以適應(yīng)工業(yè)變革帶來(lái)的對(duì)人才的新要求[1-5]。浙江大學(xué)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在這方面進(jìn)行了諸多有益的探索,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)與創(chuàng)新就是非常典型的一個(gè)方面。

1 槽輪機(jī)構(gòu)

槽輪機(jī)構(gòu)又稱為馬爾他機(jī)構(gòu),如圖1所示，它由具有徑向槽的槽輪、帶有圓銷的撥盤(pán)和機(jī)架組成。撥盤(pán)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),驅(qū)使槽輪作時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的間歇運(yùn)動(dòng)。撥盤(pán)上的圓銷尚未進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí),由于槽輪的內(nèi)凹鎖住弧β被撥盤(pán)的外凸圓弧α卡住,故槽輪靜止不動(dòng)。圖中所示位置是當(dāng)圓銷開(kāi)始進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí)的情況。這時(shí)鎖住弧被松開(kāi),因此槽輪受圓銷驅(qū)使沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)圓銷開(kāi)始脫出槽輪的徑向槽時(shí),槽輪的另一內(nèi)凹鎖住弧又被撥盤(pán)的外凸圓弧卡住 ,致使槽輪又靜止不動(dòng),直到圓銷再進(jìn)入槽輪的另一徑向槽時(shí),兩者又重復(fù)上述的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。槽輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械效率高,并且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),因此在自動(dòng)機(jī)床轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)、電影放映機(jī)卷片機(jī)構(gòu)等自動(dòng)機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用[6-8]。

圖1 槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

L系列PLC是三菱電機(jī)近幾年推出的可編程控制器產(chǎn)品,具有結(jié)構(gòu)精巧,性能強(qiáng)大的特點(diǎn),其模塊化的結(jié)構(gòu)非常適合于快速搭建簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[9]。電子槽輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)同時(shí)設(shè)計(jì)有機(jī)械式的槽輪傳動(dòng)系統(tǒng)與虛擬的電子槽輪輸出系統(tǒng),可進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 整體方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用一體式設(shè)計(jì),電氣控制部分與機(jī)械輸出部分共置于實(shí)驗(yàn)箱中,系統(tǒng)組成如圖2所示。PLC為系統(tǒng)的控制中心,上連觸摸屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)與狀態(tài)、讀取設(shè)定參數(shù)與運(yùn)行指令,下接運(yùn)動(dòng)控制模塊輸出運(yùn)動(dòng)指令、讀取定位狀態(tài)。

圖2 電子槽輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成

將機(jī)械式槽輪機(jī)構(gòu)與電子槽輪輸出機(jī)構(gòu)組合到一起可進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),分別用兩只伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。1號(hào)伺服電機(jī)用于連接機(jī)械式槽輪機(jī)構(gòu)的撥盤(pán),再由撥盤(pán)帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)；2號(hào)伺服電機(jī)由電子槽輪的輸出直接帶動(dòng)一塊安裝于機(jī)械式槽輪之上的指示盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),如圖3所示。

圖3 機(jī)械式槽輪與電子槽輪指示盤(pán)的位置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有演示程序,先是機(jī)械式槽輪與電子槽輪指示盤(pán)各獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)3周,表明兩者無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián),再以各種不同的速度同步轉(zhuǎn)動(dòng),展示在運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)下的電子槽輪的運(yùn)動(dòng)特性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)界面

三菱GT1055觸摸屏為實(shí)驗(yàn)臺(tái)的人機(jī)界面提供了系統(tǒng)數(shù)據(jù)與狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視與設(shè)定功能[10]。設(shè)計(jì)有一個(gè)開(kāi)機(jī)界面與“自動(dòng)運(yùn)行”“手動(dòng)運(yùn)行”“原點(diǎn)設(shè)定”等3個(gè)功能界面,如圖4所示。

圖4 觸摸屏界面

3.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用了模塊化結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)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(kuò)展1024點(diǎn)輸入輸出點(diǎn)，基本指令處理時(shí)間可高達(dá)40 ns/條[11]；(3)LD77MH16簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)間最短可達(dá)到0.8 ms,模塊不僅配備了諸如原點(diǎn)復(fù)位控制、定位控制及手動(dòng)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(guò)控制方式、定位地址及指令速度等的數(shù)據(jù)組合,每個(gè)軸最多可以設(shè)置600組定位數(shù)據(jù)[12]。

3.3 控制器數(shù)據(jù)單元的分配

系統(tǒng)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(jī)械式槽輪撥盤(pán)軸、電子槽輪指示盤(pán)軸與虛擬軸。各軸的狀態(tài)數(shù)據(jù)是通過(guò)讀取運(yùn)動(dòng)控制模塊的相應(yīng)數(shù)據(jù)單元(G2417+100n)而得到的。在PLC程序中CPU周期性地讀取各軸狀態(tài)至M繼電器數(shù)組,以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

表1 輔助繼電器(M)數(shù)據(jù)分配

系統(tǒng)自定義的字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)單元如表2所示。在PLC編程軟件GX Works2中,將位于D3000-D3999段數(shù)據(jù)進(jìn)行了鎖存設(shè)置,使得在PLC掉電的情況下,該區(qū)域數(shù)據(jù)也能被保存。

表2 PLC字存儲(chǔ)單元(D)數(shù)據(jù)分配

3.4 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)主要功能模塊即觸摸屏、PLC與運(yùn)動(dòng)控制模塊分別用于處理人機(jī)對(duì)話、程序流程與伺服定位,在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不同的方式共享數(shù)據(jù)、交換信息。PLC掌控整個(gè)程序流程,其程序主體結(jié)構(gòu)主要包括 “LD77MH16 Servo參數(shù)設(shè)定”“Servo狀態(tài)顯示”“Servo JOG控制”“Servo OPR操作”“Servo 自動(dòng)運(yùn)行控制”及“意外錯(cuò)誤處理”等多個(gè)程序段。

3.5 運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)定

LD77MH16簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制模塊最多能連接16根輸出軸。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)著機(jī)械式槽輪撥盤(pán)軸和電子槽輪指示盤(pán)軸,軸6為虛擬軸,用于在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),作為軸4軸5的軸入軸以達(dá)到同步的效果。

程序中用到的部分運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)部參數(shù)如表3所示。

表3 運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部相關(guān)參數(shù)

圖5 運(yùn)動(dòng)控制模塊與伺服驅(qū)動(dòng)器連接圖

3.6 伺服放大器與伺服電機(jī)

MR-J4W2-44B伺服放大器以光纖的形式通過(guò)高速同步網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)動(dòng)控制器連接,利用指令模塊的數(shù)據(jù)執(zhí)行伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向控制,以及進(jìn)行高精度定位。該款伺服放大器的最大特點(diǎn)是集成了兩軸控制模式,節(jié)約了模塊成本與安裝空間。所采用的SSCNETⅢ光通信系統(tǒng)大大提高了通信速度并減小了噪聲誤差,其速度頻率響應(yīng)達(dá)到2.5 kHz[13]。與伺服放大器相連接的HG-KR43J伺服電機(jī)安裝了具有4194304Pls/Rev的絕對(duì)式編碼器,能實(shí)現(xiàn)精確的控制[14]。伺服放大器的預(yù)置參數(shù)如圖6所示。

圖6 伺服放大器參數(shù)設(shè)置

4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分

實(shí)驗(yàn)臺(tái)配備了多套具有不同外形尺寸與結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)械槽輪傳動(dòng)裝置。撥盤(pán)為主動(dòng)件,其上安裝有一個(gè)圓銷與一塊鎖止弧,圖7所示的一種撥盤(pán)圓銷數(shù)K=1,圓銷中心回轉(zhuǎn)半徑R=22.5 mm。

圖7 機(jī)械式槽輪的撥盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖8所示的是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的一只外槽輪,具有6個(gè)齒槽,槽頂高H=39 mm,槽底高h(yuǎn)=16.5 mm。槽輪上方有機(jī)玻璃蓋板為電子槽輪的指示盤(pán),在指示盤(pán)上做有標(biāo)記,用于觀察在進(jìn)行機(jī)械式槽輪與電子槽輪對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)的位置同步情況。

圖8 機(jī)械式槽輪盤(pán)與電子槽輪指示盤(pán)

5 運(yùn)動(dòng)曲線的設(shè)定

在GX Works2 中可以分別為軸4和軸5設(shè)定規(guī)律性的運(yùn)動(dòng)軌跡。撥盤(pán)以設(shè)定的速度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),因此其輸出軸的軌跡參數(shù)可直接設(shè)置為直線往復(fù)式(廓線號(hào)為0),如圖9所示。電子槽輪軸的運(yùn)動(dòng)軌跡則可根據(jù)要求而設(shè)計(jì),圖10顯示的是6個(gè)齒槽的槽輪的運(yùn)動(dòng)軌跡,間歇運(yùn)動(dòng)的相鄰2個(gè)靜止段采用了正弦曲線作為過(guò)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(shè)置參數(shù)與廓線數(shù)據(jù)需下載至運(yùn)動(dòng)控制模塊中保存以供伺服系統(tǒng)調(diào)用。

圖9 撥盤(pán)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)軌跡

圖10 電子槽輪運(yùn)動(dòng)軌跡

圖11 GX Works2中可用的凸輪曲線類型

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)集成了機(jī)械式槽輪與電子槽輪,經(jīng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),基于伺服運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的電子槽輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可通過(guò)在軟件中更換運(yùn)動(dòng)曲線的方式快速調(diào)整運(yùn)動(dòng)規(guī)律,方便快捷且控制精度高,具有傳統(tǒng)槽輪機(jī)構(gòu)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn),不僅進(jìn)一步掌握槽輪的結(jié)構(gòu)性能與運(yùn)動(dòng)規(guī)律,同時(shí)也初步了解了以PLC為核心的工控系統(tǒng)的組成要素與控制方法,能培養(yǎng)創(chuàng)新性思維,舉一反三,探索傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與最新工控技術(shù)的結(jié)合點(diǎn),為日后從事機(jī)械行業(yè)打下更為全面的、扎實(shí)的基礎(chǔ)。