伺服控制系統(tǒng)在密封墊圈繞制系統(tǒng)中的應(yīng)用

伺服控制系統(tǒng)在密封墊圈繞制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PLC是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器、執(zhí)行邏輯、記時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、維護(hù)方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等特點，已在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在電機(jī)控制上，PLC集成了專用的控制指令集，這可大大縮短編程者對程序的開發(fā)時間，提高調(diào)試的效率。

位置伺服系統(tǒng)，一般是以足夠的位置控制精度（定位精度）、位置跟蹤精度（位置跟蹤誤差）和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標(biāo)。系統(tǒng)運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化，因而系統(tǒng)中伺服電動機(jī)的運行速度常常是不斷變化的。故伺服系統(tǒng)在跟蹤性能方面的要求一般要比普通調(diào)速系統(tǒng)高且嚴(yán)格得多，并且不會出現(xiàn)象步進(jìn)電機(jī)在高速狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)運動時出現(xiàn)“脫步”等現(xiàn)象，其在位置控制方面具有相當(dāng)高的精度而且在高速旋轉(zhuǎn)運動時具有與低速運動狀態(tài)下相同的轉(zhuǎn)矩，即可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運行。伺服電機(jī)的以上一些特性可以很好地滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需要。

密封墊圈在石油管道、液氣壓系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的用途，是一種密封性極其優(yōu)良的產(chǎn)品。主要原材料包括鋼帶和石墨等，因為其良好的密封性，所以在全球的需求量非常龐大，企業(yè)為提高其生產(chǎn)效率，要求采用自動生產(chǎn)設(shè)備。

該生產(chǎn)系統(tǒng)現(xiàn)大都采用的是手工操作的方式，在生產(chǎn)過程中，時刻需要人工干預(yù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，通過測量來確定產(chǎn)品是否符合工藝要求。比如，時刻需要用游標(biāo)卡尺來測量產(chǎn)品的外徑來保證產(chǎn)品的質(zhì)量;整個焊接過程完全由人工操作，自動化程度低，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低下，已無法滿足日益增強(qiáng)的競爭需要，所以提高效率迫在眉睫。

1、系統(tǒng)組成

根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求和對實際系統(tǒng)的測量，預(yù)估電機(jī)帶動模芯運行所需的力矩和運行速度，綜合不同規(guī)格下的各種要求，選取了PLC作為控制系統(tǒng)，驅(qū)動伺服電機(jī)和焊機(jī)，采用文本顯示器設(shè)置相應(yīng)參數(shù)?？傇砜驁D如圖1所示。

圖1 PLC控制電路框圖

1.1 硬件部分

本系統(tǒng)電氣硬件控制電路的設(shè)計，主要包括保護(hù)電路、電源變換電路、伺服電機(jī)驅(qū)動部分電路、伺服電機(jī)供電電路和控制電路。對于伺服電機(jī)的控制采用PLC作為主控制器，主要控制線有4根：伺服使能信號線、指令脈沖輸出信號線、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制線和伺服電機(jī)故障信號輸出線。前3根信號線的引出主要是對伺服電機(jī)的位置運動進(jìn)行控制，通過相應(yīng)設(shè)置和程序設(shè)計來達(dá)到要求的精度。故障輸出信號線主要是對電機(jī)的不正常運行進(jìn)行保護(hù)，比如電機(jī)的過流、過壓運行等。通過適當(dāng)?shù)某绦騺韺收闲盘栠M(jìn)行處理，保證伺服系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。除此之外，還安裝了急停按鈕對特別緊急事件進(jìn)行處理，以保證系統(tǒng)的安全性。

電氣主電路主要由空氣開關(guān)、熔斷器（保險絲）、電源指示燈、接觸器、電源開關(guān)按鈕、急停開關(guān)按鈕等組成。功能是保證220V電源供電的安全性與可靠性，同時，熔斷器等可以對后續(xù)電路過流等情況起到一定的保護(hù)作用。220V交流電源電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成24V直流電源電壓驅(qū)動電磁閥工作，控制氣缸的動作與釋放。PLC開關(guān)量輸人中有2個光電開關(guān)量的輸入，主要為鋼帶和石墨缺料時的信號輸入，通過PLC程序來控制伺服電機(jī)和各機(jī)械部件在上述狀態(tài)時的運動。

1.2 軟件部分

軟件設(shè)計主要對輸入的開關(guān)量等信息進(jìn)行分析、處理、綜合后輸出控制信號來對伺服電機(jī)和執(zhí)行部件（主要為焊機(jī)）進(jìn)行可靠的運動控制。滿足系統(tǒng)控制精度的要求。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

在實際生產(chǎn)過程中，由于石墨帶的剛度不夠，在繞制過程中容易發(fā)生斷裂等問題。因此在實際程序設(shè)計中要求伺服電機(jī)在啟動和制動過程均要有加減速時間以防止電機(jī)產(chǎn)生速度突變，造成石墨帶的斷裂和危及操作人員的安全。根據(jù)系統(tǒng)要求，將系統(tǒng)運行狀態(tài)中的某些參數(shù)通過通信模塊顯示于文本屏上，達(dá)到實時監(jiān)控的目的。其中參數(shù)主要為產(chǎn)品工藝的要求參數(shù)，比如焊點數(shù)、材料繞制的圈數(shù)等參數(shù)的實時顯示。文本顯示器除了顯示功能外，還集成了參數(shù)設(shè)置的功能，主要是對生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格型號的選擇和繞制圈數(shù)的設(shè)定。通過規(guī)格型號的選擇來確定焊機(jī)動作與釋放時間的分配和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定，使兩者達(dá)到合理的配合，最大限度地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。通過對產(chǎn)品繞制圈數(shù)的設(shè)定可以實時控制產(chǎn)品的合格率并可以隨時按生產(chǎn)要求來選擇生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格。打破了手工操作下，能生產(chǎn)的產(chǎn)品比較單一的缺點（規(guī)格少），提高了設(shè)備的利用效率。

2、系統(tǒng)問題及解決方案

2.1 伺服電機(jī)定位問題

本次系統(tǒng)設(shè)計中主要存在的問題是模芯的精確定位。當(dāng)一個產(chǎn)品制作完成后，怎樣才能使模芯在高速回歸原點時與壓輪壓下的位置的偏差不超過1mm。考慮到伺服電機(jī)的高精度定位功能，設(shè)計中采用了記錄全程脈沖數(shù)的方法。這種方法充分利用了伺服電機(jī)的高精度定位功能，實現(xiàn)高效率的精確定位。在整個系統(tǒng)設(shè)計中，將PLC的Y0口作為伺服電機(jī)脈沖的輸出端，因此利用PLC指令集中的特殊功能存儲器D8140，D8141來記錄PLC發(fā)給伺服電機(jī)的脈沖數(shù)并將其累加。通過運算求出不到一圈的脈沖數(shù)，再用一圈的脈沖數(shù)減掉上面的運算結(jié)果。將此結(jié)果的脈沖數(shù)再通過PLC的Y0口發(fā)給伺服電機(jī)來控制其回歸原點。如果僅用以上方法即使回歸了原點但其仍無法滿足1mm的精度要求，需要對伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置中的21號參數(shù)（零偏差幅度）進(jìn)行相應(yīng)計算設(shè)定。因為伺服驅(qū)動器出產(chǎn)時21號參數(shù)一般是400脈沖，當(dāng)要求定位的精度很高時，這個默認(rèn)的參數(shù)是不適合的?？梢酝ㄟ^式（1）進(jìn)行計算來確定需要的參數(shù)值。

其中：132072為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)，為固定值，單位為脈沖/周;S為每轉(zhuǎn)一周的移動量，單位為m;J為系統(tǒng)所要求的精度，單位為m;P為零偏差幅度，單位為脈沖。

對于本系統(tǒng)，模芯采用最小尺寸，S=0.580 9m，J=0.001m，可求得P=226脈沖;（實際電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周需要的脈沖可以通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器的電子齒輪比參數(shù)得到）考慮到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速比接近1：10，所以P可以取20脈沖。綜合考慮各種規(guī)格之后可以取最小值P=1脈沖。

在軟件設(shè)計中還應(yīng)要使用特殊輔助繼電器M8145，其功能是停止Y0口的脈沖發(fā)送（立即停止）。采用程序驅(qū)動M8145可以防止伺服電機(jī)在發(fā)送脈沖時的過脈沖現(xiàn)象，提高定位的精度。

2.2 焊機(jī)的時間控制問題

對焊機(jī)的開始放電時間的精確控制直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。對于密封墊圈其要求在第一輪啟動焊接的時候能夠達(dá)到在電機(jī)帶動模芯旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，按順序先5—l0mm焊接3個點，然后再以40—50mm的距離焊接剩下的點。在這個過程中要保持電機(jī)有一定的轉(zhuǎn)速，大概20r/min，還要保持焊點的均勻、美觀和一定的強(qiáng)度。在設(shè)計中將電焊機(jī)的時間控制模式改為“1”（外部時間控制），又鑒于PLC的掃描方式不同于一般的單片機(jī)芯片，所以要考慮程序的掃描周期。在以上轉(zhuǎn)速下利用公式（2）算得可以啟動電焊機(jī)工作的時間：

S=V×T （2）

式中：S為焊接距離;V為電機(jī)運動速度;T為電焊機(jī)可以工作的時間范圍。

算得時間T，加上掃描時間就是焊機(jī)要動作的時間范圍，對其進(jìn)行啟動和釋放時間合理分配。該系統(tǒng)中電焊機(jī)啟動時需要l0ms的高電平維持時間（實際設(shè)定），才能進(jìn)入穩(wěn)定的放電狀態(tài)，而且焊機(jī)的響應(yīng)時間存在不穩(wěn)定性，所以設(shè)定電焊機(jī)啟動時高電平維持時間為20ms，電焊機(jī)可以很好地進(jìn)行工作，達(dá)到控制的需要，保證焊點的質(zhì)量。

3、結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場安裝與調(diào)試，本系統(tǒng)其性能比傳統(tǒng)的手工操作系統(tǒng)優(yōu)良。而且體積小，結(jié)構(gòu)也簡單，為日后的維護(hù)和功能擴(kuò)展奠定了良好的基礎(chǔ)，精度能夠達(dá)到要求，大大提高了效率，操作也更加簡單方便。對操作人員來說，也更加安全可靠。