澳大利亚淬火机闭环定位控制系统设计

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1原系统缺陷分析 二......



1 原系统缺陷分析
二发厂凸轮轴淬火机是1992 年从澳大利亚引进的中频淬火机。多年来其中频电源部分一直工作良好，但其行程控制部分的故障率却居高不下，经常因凸轮轴定位不准而产生大量废品。其控制系统极为落后、并且严重老化，已失去了维修的价值，甚至有时会严重影响生产的顺利进行，因此定位控制系统的彻底改造就显得尤为重要了。
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1）目前，国内同类型或同档次的机床有很多，其中很多都存在定位不准的问题。而定位的准确性正是影响淬火质量的关键因素。我厂凸轮轴淬火机自进厂以来，一直存在定位不准的问题，这一问题困扰了我们多年。虽经与澳大利亚生产厂家联系，始终没有得到妥善的解决办法。
2）该机床行程控制系统控制器是采用20 世纪80 年代初的Z80 单板机技术的专用控制装置。其编程及参数设置非常复杂，控制功能较少，并且经常发生故障。此外，由Z80 单板机所组成的控制器也是极为落后的产品，它不但功能有限、控制不灵活，故障率高，还无同类替换产品，一旦损坏将直接影响生产。
3）定位系统的执行机构为直流调速系统，直流调速系统在国内机床工业中虽然仍占据较大的份额，但由于它是落后的技术，并存在故障率高、稳定性差、控制不灵活等缺点，已逐步被更为先进的交流调速系统所代替。该机床由一台直流伺服电机实现凸轮的定位控制，由于凸轮的运动方式是立式，并且由滚珠丝杠驱动（其本身没有自锁功能），同时，由于凸轮台架质量很大，其运行时产生的巨大的惯性仅仅靠直流电机电枢产生的微弱的电磁力来制动是远远不够的，制动力矩不足是导致凸轮轴定位不准的根本原因。
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4）位置控制系统及直流调速系统均是淬火机公司自己研制开发的产品，由于产品的更新换代这个产品已淘汰，不再生产，因此无法购买到备件，如果单独定做价格极其昂贵，国外相应的此种控制模块需8万美元。这套系统既无原理图又无详细说明，维修极其困难。
2 设计方案
PLC 及变频调速技术在国内已经得到了非常广泛的应用。在国内同行业中，应用PLC 技术对各种机床包括大型自动线的改造的例子非常多，但对于像凸轮轴淬火机这样要求定位精度很高的设备应用变频调速技术结合PLC 技术进行闭环调速系统改造的例子却很少。
1）采用位置闭环控制，能满足定位准确，达到定位精度的要求。利用机床中广泛采用的一种闭环位置检测装置脉冲编码器，脉冲编码器是一种常用的角位移传感器，即一种旋转式脉冲发生器，它能把机械角变成电脉冲。
2）由于PLC 技术控制灵活简单、故障率低、功能强大、价格较低，目前已得到了广泛的应用。本次控制器改造采用的是日本OMRON 公司的C60 PLC。C60 PLC 虽然属于小型机，但其上的高速计数单元能接收脉冲编码器的信号，完全可以实现本机床位置闭环控制的需要。OMRON 公司是世界著名的几大PLC开发与制造商之一，其新产品开发在世界上一直遥遥领先。OMRON 的PLC 性能价格比高，质量可靠，较适合中国国情，所以一直受到国内的欢迎。
3）该机床行程控制系统的关键部件除控制器和编码器之外，还有驱动装置及执行机构。原驱动装置及执行机构分别是一块可控硅直流调速驱动板和一台直流伺服电机。本次改造方案定为：用YEJ 系列自刹车交流电机替代原直流电机。用日本SANKEN 电气株式会社的IHF 系列变频器替代原控制板。这种变频器属于通用型全数字式变频器。适用于感应电动机的调速驱动。其内部配备16 位微处理器，故其功能十分齐全。另外，交流调速理论现在已经非常成熟，并且由于造价低、控制方便可靠、故障率低等特点，它正在取代直流调速的位置。
3 设计内容
3.1 硬件接口及设置：
C60 的高速计数单元属于单向加计数单元，记数单元最高只能接受2KHZ 的脉冲信号，可以对普通光电编码器的A、B 项脉冲进行准确计数（要求编码器规格在每转几百脉冲之内）。经计算出每个脉冲的位移当量，即可通过PLC 程序实现对凸轮轴的准确定位。
3.1.1 脉冲编码器信号的接收
本机床的脉冲编码器的工作电源是直流5V 的，其A、B、Z 三项脉冲的幅值都是5V，而C60 PLC 的输入要求24V，因此两者之间不能直接匹配，必须设计一个转换电路，经过高速光偶电路后，A、B、Z 项脉冲幅值被提升到24V。
3.1.2 编码器Z 脉冲展宽
由于脉冲编码器的Z 脉冲宽度过窄，C60 的输入口无法识别。Z 脉冲在绝大多数数控系统中的主要作用是控制数控轴准确回零。因此，它的作用是非常重要的。Z 脉冲的展宽问题是通过自制脉冲展宽及放大电路来实现的。下图是CC14528 芯片的原理图和逻辑图。
CC14528 由R-S 触发器、门电路和三态电路组成，一般选取较大的电阻值和较小的电容值，以获得所 需的时间常数，降低电路功耗。下面是应用CC14528 搭成的Z 脉冲的展宽电路，编码器的Z 脉冲信号接到Vi 端，输出Vo 端接到PLC 的输入口0002，如波形图所示，输入一个窄脉冲经展宽电路后脉冲宽度加大。输出脉冲的宽度tw 可由外接元件Rext 和Cext 调节，图中tpd 为输入到输出的延迟时间。
3.1.3 OMRON C60 PLC 的地址分配
当使用高速计数器时，下列资源用于高速计数器，不能再做它用。
输入点0000（计数输入）
输入点0001（硬件置零）
内部辅助继电器1807（软件置零）
TIM/CNT47（当前计数值）
DMCH32 到DMCH63（上限下限值）
如果电源掉电高速计数器保持掉电前的计数值。
高速记数器有16 个输出。外部的脉冲源通过0000 点输入到CPU，作为高速计数器的输入信号，当输入信号从OFF 到ON 时计数一次。
输入信号的每次正跳变都使CPU 内部的计数缓冲器计数，在执行高速计数器指令时把内部计数缓冲器的内容传送到高速计数器的计数值存放单元CNT47 中。传送计数值后，用此值与予置在DM31 到DM63的上下限值做比较，如果数值相符，则被指定作为输出通道的相应的点变为ON，所以在对高速计数器编程时，必须指定一个输出通道作为高速计数器的输出。
3.2 程序设计
3.2.1 程序流程
整个机床行程控制系统的工作过程如下图所示：