1工藝流程2磨削機(jī)PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1磨削機(jī)設(shè)備組成及設(shè)計(jì)目標(biāo)磨削機(jī)主要由1臺(tái)日本三菱電機(jī)公司FX系列小型可編程控制器FX2N-48MR，1臺(tái)FX2N-10GM單軸定位控制器，1套三菱MR-J2S系列交流伺服系統(tǒng)，3臺(tái)三菱FR-S540系列變頻器，1臺(tái)三菱F94GT-LWD觸摸屏，1個(gè)FX2N-4DA模塊組成。其核心是可編程控制器，它的輸出部分主要用于控制伺服和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其輸入部分主要接收各類保護(hù)繼電器的動(dòng)作信號(hào)。

　　整個(gè)設(shè)計(jì)具體可分為以下4部分：①采用PLC和FX2N-10GM完成檢測(cè)（計(jì)算出比較佳的進(jìn)刀量），自動(dòng)磨削等工序。②利用伺服實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削進(jìn)刀量的雙閉環(huán)控制。③利用內(nèi)部計(jì)數(shù)器和光電開關(guān)讀取橫向拖板移動(dòng)距離。④采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)了更為方便、友好的人機(jī)通訊。

　　2.2PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成一上電，拖板和控制進(jìn)刀距離的伺服歸零，接著為了實(shí)現(xiàn)合適的進(jìn)刀距離開始檢測(cè)，檢測(cè)完畢開始真正的磨削過程。磨削機(jī)控制系統(tǒng)中，通過3臺(tái)變頻器來控制用于拖板移動(dòng)，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，版輥轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，刀盤主軸進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用PLC（可編控制器）定位伺服控制系統(tǒng)，通過伺服來實(shí)現(xiàn)一定的進(jìn)刀距離，磨削出所要求的版輥，F(xiàn)X2N-10GM讀取檢測(cè)時(shí)探頭的讀數(shù)。光電接近開關(guān)裝在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上，把拖板的長度轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，利用可編程控制器的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制拖板停止移動(dòng)，橫向移動(dòng)控制精度要求不高，用PLC內(nèi)部計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)即可，節(jié)約了成本。噴霧閥在機(jī)器運(yùn)行時(shí)，給版輥噴灑冷卻液，來保證成形輥不受磨損及型材表面的光潔度。

　　光電接近開關(guān)和D/A擴(kuò)展模塊以及觸摸屏等元件組成，實(shí)現(xiàn)磨削過程中基本邏輯動(dòng)作、檢測(cè)、伺服閉環(huán)控制和人機(jī)通訊四大功能，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如所示。

　　結(jié)合模塊：磨削機(jī)要求絲杠上的刀盤在加工前后必須停控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為了提高生產(chǎn)線使用的安全性、運(yùn)行的可靠性、維護(hù)的方便性、操作的靈活性、故障診斷的智能性、磨削的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用自動(dòng)（包括粗切、精切）/手動(dòng)控制方式。在選擇手動(dòng)操作時(shí)，通過觸摸屏上的軟按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟、停控制，操作手柄控制伺服的進(jìn)或退點(diǎn)動(dòng)，便于設(shè)備調(diào)試維修。在選擇自動(dòng)操作時(shí)，在觸摸屏上設(shè)置版輥直徑、版輥長度、切削量，顯示檢測(cè)時(shí)的版輥直徑比較大值，比較小值和平均值等信息和檢測(cè)到的故障信息，從而也提高了控制便利性。改變變頻器的設(shè)定頻率，可改變拖板在相同的位置，以便下一加工循環(huán)，否則將造成刀具或工件損壞。準(zhǔn)確定位在普通繼電器控制的鼠籠式交流電機(jī)上實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩，我們采取伺服系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)定位，引入速度負(fù)反饋消除了外界參數(shù)變化和擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，使該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、定位精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。為了在工作過程中使精度控制在規(guī)定的誤差以內(nèi)，進(jìn)刀距離通過檢測(cè)采用閉環(huán)跟蹤控制。首先是用FX2N-10GM讀取檢測(cè)時(shí)探頭接觸版輥的讀數(shù)，并根據(jù)公式顯示出版輥的直徑比較大，比較小，平均值（與制定合鹋概轉(zhuǎn)速度挪1轉(zhuǎn)斃6伽咖Publishing愚的切削量有關(guān)，然后此時(shí)的伺上需要的切削量求出比較精確的進(jìn)刀量，比較后開始整個(gè)自動(dòng)磨削過程。FX2N-10GM作為智能化的定位控制器按用戶編制的定位程序向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出定位脈沖、運(yùn)行方向等，信號(hào)驅(qū)動(dòng)器按這些控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行定位，對(duì)于伺服電機(jī)，有伺服準(zhǔn)備、伺服結(jié)束和零位三個(gè)信號(hào)反饋，外部設(shè)定用數(shù)字開關(guān)可將定位點(diǎn)位置和速度等數(shù)值送入定位單元，定位單元通過總線連接到FX系列PLC擴(kuò)展口上，成為PLC控制系統(tǒng)3）變頻器模塊：為實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)速度調(diào)整和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，我們采用變頻器來調(diào)速電機(jī)。變頻器的模擬輸入電壓端子接受FX2N-4DA速度電壓值后，根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)值來對(duì)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。調(diào)速方式為V/F型，這種調(diào)速方式在改變變頻器輸出頻率的同時(shí)改變變頻器的輸出電壓，兩者的比值為恒定，以保持異步電動(dòng)機(jī)磁通不變。該調(diào)速方式簡便、可靠，能夠滿足電機(jī)調(diào)速的要求。

　　中的定位智能控制環(huán)節(jié)，在定位單元內(nèi)，常量的設(shè)置與監(jiān)控、參數(shù)的改變可以通過使用連接到PLC上的數(shù)據(jù)存取單元完成，因此可以在運(yùn)行過程中由PLC指定模塊號(hào)（這里10GM是1號(hào)模塊，4DA是2號(hào)模塊），傳送定位速度等數(shù)據(jù)，并能在PLC中監(jiān)視GM的實(shí)時(shí)定位信號(hào)及運(yùn)行或停止?fàn)顟B(tài)。在PLC和FX2N-10GM之間的數(shù)據(jù)通訊被FROM和TO指令控制，在FX2N-10GM中有專門用于通訊的緩沖存儲(chǔ)器并給予編號(hào)（BFM），相應(yīng)地在PLC中分配有輸入繼電器，輸出繼電器，輔助繼電器，以及特殊輔助繼電器等設(shè)備，使用TO指令從PLC的數(shù)據(jù)寄存器傳送數(shù)據(jù)到FX2N-10GM的數(shù)據(jù)設(shè)備中，使用FROM指令從FX2N-10GM設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中。

　　進(jìn)刀量用伺服電機(jī)來控制，伺服電機(jī)的控制由PLC實(shí)現(xiàn)。PLC產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路為伺服脈沖信號(hào)，它的頻率和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，它的個(gè)數(shù)決定了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。另一路為方向電平信號(hào)DIR.當(dāng)DIR為高電平時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；相反，當(dāng)DIR為低電平時(shí)，電機(jī)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。磨削中分為粗切和精切，精切的精度要求很高，一般切削量不能大于0.05mm，伺服前進(jìn)1mm，就發(fā)了1600個(gè)脈沖，相當(dāng)于一個(gè)脈沖就前進(jìn)了0.625um，精度非常高，從而使得絲杠得到精確定位。伺服控制刀盤進(jìn)刀時(shí)，進(jìn)刀速度不是不變的，當(dāng)?shù)侗P接近版輥的時(shí)候要自動(dòng)開始減速，以免過沖影響磨削質(zhì)量。控制刀盤進(jìn)刀的絲杠上有三個(gè)接近開關(guān)，一個(gè)是用來原點(diǎn)定位的，另外兩個(gè)分別是進(jìn)、退接近開關(guān)。定位系統(tǒng)框圖如所示。

　　定位系統(tǒng)框）DA模塊：版輥旋轉(zhuǎn)，刀盤旋轉(zhuǎn)，拖板移動(dòng)分別用3臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，變頻器根據(jù)輸入的版輥直徑，版輥長度通過調(diào)用公式來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證磨削出一定錐度的表面。三個(gè)速度和版輥直徑，長度之間存在著一定的機(jī)械關(guān)系，而這種折算關(guān)系存儲(chǔ)在PLC中并在磨削前自動(dòng)調(diào)用出來，拖板的橫向移動(dòng)距離用接近開關(guān)檢測(cè)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周檢測(cè)5個(gè)開關(guān)（絲杠前進(jìn)10mm），計(jì)5次數(shù)，一次計(jì)數(shù)就移動(dòng)2mm，停止時(shí)已經(jīng)記下一定的距離，當(dāng)拖板退回去的時(shí)候可以根據(jù)折算好的計(jì)數(shù)值自動(dòng)停止移動(dòng)。無4）觸摸屏：觸摸屏與PLC相配合，使對(duì)設(shè)備的任意多的操作控制、大量的運(yùn)行信息反饋通過對(duì)觸摸屏編程予與實(shí)現(xiàn)，PLC與觸摸屏之間通過串行接口通訊，連線簡潔，整個(gè)系統(tǒng)更緊湊、美觀。

　　3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1PLC控制的軟件設(shè)計(jì)PLC控制軟件的設(shè)計(jì)大致可以分為以下幾個(gè)模塊：上電初始化、檢測(cè)、自動(dòng)磨削、報(bào)警及報(bào)警處理。選用三菱FX1N的PLC，其內(nèi)部包含基本邏輯指令、步進(jìn)順控指令和功能指令，配合擴(kuò)展模塊的特殊指令，編程靈活、修改方便且運(yùn)行穩(wěn)定。各模塊的程序流程見（a）。

　　（a）中，首先進(jìn)行初始化，初始化包括拖板、刀盤進(jìn)給絲杠和伺服的歸零，一上電伺服控制刀盤的軸快速移動(dòng)到零點(diǎn)位置，相應(yīng)的伺服讀數(shù)為零，拖板也根據(jù)需要回到零點(diǎn)位置，若刀盤主軸進(jìn)給超過比較大給定行程時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出超程報(bào)警，同時(shí)刀盤主軸自動(dòng)返回零位。比較麻煩的是不知道要切削幾次才可以達(dá)到磨削的期望值，為了提高效率，用戶可以將常用的磨削周期存儲(chǔ)起來以備后用，而不必重新設(shè)計(jì)磨削周期。而切削過程流程圖（a）自動(dòng)狀態(tài)下的程序流程3.2觸摸屏畫面設(shè)計(jì)（b）切削過程流程削出來的表面精度，因此，當(dāng)其中一個(gè)速度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，另外兩個(gè)的轉(zhuǎn)速必須迅速跟蹤。無論手動(dòng)操作時(shí)設(shè)定速度還是根據(jù)版輥直徑，長度通過公式求得刀盤、版輥、拖板速度值，都要將其值傳給三菱變頻器。為此，我們?cè)黾覨X2N-4DA模塊。該模塊提供4個(gè)輸出通道（要用到3個(gè)通道），BFM0決定通道是電壓輸出還是電流輸出。模式0是電壓輸出模式，對(duì)應(yīng)于-10V~+10V.模式1、2是電流輸出模式，分別對(duì)應(yīng)于4mA~20mA和0mA~20mA.模擬量輸出的增益/偏益設(shè)置由BFM8和BFM9決配合變頻器速度調(diào)整的模擬量輸入標(biāo)準(zhǔn)，我們采取模式0，即電F900GOT系列觸摸屏是三菱公司為配合其FX系列及A系列PLC而設(shè)計(jì)的。F940GOT-LWD為單色液晶，雙色顯示。

　　觸摸屏可取代操作按鈕、撥碼盤，SEGA數(shù)碼管，使本系統(tǒng)配置、連線，PLC程序更加簡潔。通過組態(tài)軟件，可生產(chǎn)豐富的用戶畫面。既方便操作者使用，又便于設(shè)計(jì)者開發(fā)，是理想的人機(jī)界面。

　　該系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)了歡迎登錄畫面、主畫面、手動(dòng)操作畫面、粗切顯示監(jiān)控畫面、粗切操作畫面、精切顯示監(jiān)控畫面、精切操作畫面、故障顯示畫面和報(bào)警履歷顯示等9個(gè)基本畫面和幫助及故障詳細(xì)顯示等10個(gè)窗口畫面。這些畫面從個(gè)人電腦傳送到觸摸屏即可使用，而觸摸屏與PLC通過RS-422通信電纜連接可實(shí)現(xiàn)信息互通。在畫面的設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，也可從觸摸屏上傳畫壓輸出4*式1°5分辨i率a為5mVi字量范fa定義為ti20：00！有1效Hhg司的AT24C02.我們可以通過芯片上的SDA和SCL與單片機(jī)相連，這就是常說的l2C總線方式。l2C是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。它根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件，并通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時(shí)鐘線）兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息。

　　在硬件上，我們需要注意SDA和SCL均為雙向I/O線，必須通過上拉電阻接正電源，從而保證當(dāng)總線空閑時(shí)，兩根線都是高電平。這是因?yàn)镋EPROM的SDA和SCL這兩根線是集電極開路。在軟件上，我們需要注意當(dāng)發(fā)送停止信號(hào)后，EEPROM進(jìn)入內(nèi)部寫數(shù)據(jù)周期，在這段時(shí)間內(nèi)，不應(yīng)答任何外來信號(hào)，因此需要在發(fā)送停止信號(hào)后，至少延遲1.2！s的時(shí)間，才能保證重新輸入的開始信號(hào)有效。

　　上位機(jī)和下位機(jī)通過MAX232通訊，是德州儀器公司生產(chǎn)的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。MAX232是一種雙組驅(qū)動(dòng)器/接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時(shí)提供TIA/EIA-232-E電平。每個(gè)接收器將TIA/EIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5VTTUCMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接受*30V的輸入。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTUCMOS輸入電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-E電平。

　　3.2下位機(jī)下位機(jī)的主要任務(wù)是接受上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，處理熱輥的溫度信號(hào)并輸出合適的功率。它實(shí)時(shí)接受熱輥的溫度信號(hào)，并通過PID方法來控制功率輸出。

　　PID由直接計(jì)算法和增量算法，直接計(jì)算法得到的是當(dāng)前需要的控制量，增量算法則是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)算法的相鄰兩次運(yùn)算之差，得到的是增量。

　　標(biāo)準(zhǔn)的直接計(jì)算法公式：兩式相減得到增量法計(jì)算公式：其中，Kp，Ki，Kd則是做好一個(gè)控制器的關(guān)鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對(duì)象需要選擇不同的數(shù)值，還需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能獲得較好的效果。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即作用已減少偏差。比例作用大，可加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。微分調(diào)節(jié)反應(yīng)系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，若過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。

　　現(xiàn)場(chǎng)整定PID參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)這些參數(shù)在PID過程中的作用原理，來討論我們的對(duì)策：1'加溫很快就達(dá)到目標(biāo)值，但是溫度過沖很大：①比例系數(shù)太大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過高；②微分系數(shù)過小，致使對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感。

　　2'加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多：①比例系數(shù)過小，加溫比例不夠；②積分系數(shù)過小，對(duì)恒偏差補(bǔ)償不足。

　　3'基本上能夠在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動(dòng)：①微分系數(shù)過小，對(duì)即時(shí)變化反應(yīng)不夠快；②積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化；③設(shè)定的基本定時(shí)周期過短，加熱沒有來得及傳到測(cè)溫點(diǎn)。

　　選擇一個(gè)合適的時(shí)間常數(shù)很重要，要根據(jù)輸出單元采用什么器件來確定，如果是采用可控硅的，則可設(shè)定時(shí)間常數(shù)的范圍就很自由；如果采用繼電器的，若過于頻繁的開關(guān)就會(huì)影響繼電器的使用壽命，所以不太適合采用較短周期。一般的周期設(shè)定范圍為2s至5min較為合適。

　　4結(jié)束語經(jīng)測(cè)試表明，本文所提出的分區(qū)控制及液晶顯示達(dá)到了預(yù)想的效果，運(yùn)行穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試簡便，熱輥的溫度誤差被控制在±